解析多兼容LED照明控制系统关键技术

近年来，发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)由于其全固态、寿命长、低电压驱动、体积小及重量轻等特点，使之在民用及工业领域都得到了广泛的应用。二十世纪八九十年代，智能楼宇的兴起将智能照明控制系统的应用引到了一个全新的高度。

调光网络协议的制定具有划时代的意义，这也引起了众多商家在效仿DMX512 协议的基础上设计研发更加出色的调光协议，智能照明系统网络协议的研发领域出现了欣欣向荣、百花争艳的景象。

DMX512 协议控制器支持DMX512 协议接口，可外接DMX512 设备远距离控制。但目前市场上多数LED 终端控制器生产厂家采用了变异的DMX512 协议，控制器的接口、协议五花八门，控制器的功能、质量良莠不齐，使得一般的DMX512 协议控制器无法兼容多个不同厂家的LED 灯具。因此，寻求一种多兼容LED 照明控制器显得至关重要。

1、照明控制器分析

1.1 DMX512 协议控制器的组成

多兼容DMX512 协议控制器主要由两部分构成：一个是与LED 终端控制器相连的协议分控制器，另一个是在控制中心的主控制器。

控制器的结构图如图1、图2 所示。

1.2 方案的选择

方案一：多微处理器芯片

一般微处理器(ARM) 自带的串口只有1~2 个，通常不会超过4 个。要想实现多达16 个串口，如果只用一片微处理器芯片是不够的；如果用多片微处理器芯片来实现16 个串口，虽然可以实现的，但串口之间协调性不高；如需同一时刻发送数据，实时性不高，而且多片微处理器芯片都需要有各自独立的软件来控制。因此用这个方案，可行性不高。

方案二：I/O 口模拟多串口

一片微处理器芯片，如ARM，虽然只有位数不多的串口，但有些人提出可以用软件模拟的方法，把一般的I/O 口做成串口，这样就可以把ARM 变成很多个串口了。这个方案看起来不错，但是经过实际的测试，发现模拟出来的串口稳定性不高，而且波特率不能设置得很高。因此，用软件模拟的方案也不太可行。

方案三：FPGA（现场可编程门阵列）实现多串口

上个世纪末出现的FPGA经过二十多年的发展，由于其具有用户可编程的特性，已逐渐被市场所接受。使用PLD (可编程逻辑器件) 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少线路板（PCB）面积，提高系统的可靠性。可以在FPGA 的软件平台和硬件平台下设计多串口扩展，利用FPGA 实现串口扩展的另一优势在于可利用FPGA 芯片剩余的资源空间， 将其他功能模块整合在一块FPGA 上，这样就很好地节约了成本，这种优势是其它方案所无法比拟的。

在研究过程中，拟采用FPGA 来实现16 个串口，ARM收到以太网数据后，经分析处理就可以通过FPGA的多个串口将DMX512 协议发送到各个LED 终端控制器，实现LED 照明控制。

2、关键技术

2.1 基于以太网的系统硬件设计

本研究课题采用ARM 和FPGA 实现DMX512 协议控制，其中ARM 主要负责网络通信，人机交换，FPGA 主要实现DMX512 协议。在初期的硬件设计中，主控制器和分控制器之间的通信采用的是RS485（智能仪表）通信方式，理由是通信方式简单、易开发、成本低，所以在第一版硬件设计中，采用的就是RS485通信。

后来在调试时发现，这种通信方式的带宽不够。假如场景速率按照每秒10 帧来计算，一个分控制器最多可有16 个DMX512 通道，RS485 通信是串行通信方式；所以每秒要在这个串行线上传输的帧就有160个，要想在这一秒内传输完160 个帧，每帧占用的时间大约为6ms，相应的传输位速率为1us，波特率为1Mbps。而采用RS485 通信方式是达不到这么快的，所以这种方案失败了。

在第二版的硬件设计中，主控制器和分控制器间的通信换成了速率为10M的以太网通信，采用这种通信方式后，速率的瓶颈得以解决，一个主控制器可以带多个分控制器。

2.2 FPGA 与ARM 的接口设计

ARM 是高速处理器，也是串行设备，可以实现控制、协议解析等工作，当然也可以产生控制时序。但DMX512 时序是一种慢速时序，用ARM 实现会大大的降低系统的实时性，为此系统利用FPGA 的并行优势，用FPGA 来产生DMX512 控制时序，再在ARM和FPGA 之间架设一个数据通道，实现串行处理器与并行处理器的无缝连接。

FPGA 与ARM 之间主要用于传输DMX512 亮度数据，同时也传送一些控制命令，状态数据等，传送数据为8 位。FPGA 连接在ARM 的GPI/O 总线上，如图3 所示。由于DMX512 设备为慢速设备，ARM 为高速处理器，为了提高ARM 的效率，在FPGA 内部开辟RAM 空间作为DMX512 亮度数据的缓存。一个DMX512 数据包为512 字节，共有16 路，所以在FPGA内部开辟了512*16B 的空间即可。

2.3 DMX512 模块

在FPGA 中要实现16 路DMX512 控制时序，然后通过RS485 芯片转成差分信号输出。FPGA 内部先实现一个DMX512 时序模块，对于FPGA 来说并行处理是它的最大优势，设计好DMX512 模块后，再实例化15 个相同模块即可。FPGA 的DMX512 信号输出为单一信号，通过MAX485 芯片，将其转化为符合RS485 标准的差分信号。模块结构图如图4 所示。

2.4 协议破译

协议破译是指拿到灯具以后，能判断出该灯具所采用的是哪种协议，进而能用本设计的控制系统去控制它。

首先查看原厂控制器是采用哪种协议的，从而可推断出该灯具是用什么协议工作的。一般灯具的协议大多采用的是DMX512 协议，有区别的是可能某些字节的定义存在不同的含义，每个灯具所占的通道数可能不一样，RGB（三色模块）的排列方式也可能不一样。这就需要通过方法去破解，当所有的通道数和RGB 的排列方式都知道后，就可以编辑场景文件，自由地控制各类变化了。

●破解工具1：示波器（硬件），通过示波器截获RS485 通信线的电信号，分析通信的波特率，字节位数，有无奇偶校验位等。

●破解工具2：串口数据分析软件，在破解工具1的基础上，获取十六进制数据，进一步分析协议的每一个字节的定义及其含义。

2.5 场景软件数据的高压缩

通用场景生成软件产生的数据文件一般有数兆，解析了此文件的数据结构，找到一种高效的压缩方法，使得压缩文件只有原文件的1%左右，这样主控制器与分控制器之间的数据传送压力大为减轻；对网络的带宽要求可以大大降低。分控制器只要对数据进行解压缩还原即可，实现了设计的场景变化。

3、技术的先进性

3.1 兼容多种变异的DMX512 协议

DMX512 协议控制器支持DMX512 协议接口，可外接DMX512 设备远距离控制。包含DMX512 解码器，可设定地址，可接收标准DMX512 信号。但目前市场上多数LED 终端控制器生产厂家采用了变异的DMX512 协议，使得一般的DMX512 协议控制器无法兼容多个不同厂家的LED 终端控制器。

现研发成功的DMX512 协议控制器可支持多个不同厂家的LED 终端，目前已有15 个品种，即15 个不同的DMX512 变异协议。通过解析这些厂家的LED 终端的通信协议，将其写入SD 卡中。DMX512 控制器根据SD 卡中存储的通信协议格式，不用对程序做任何修改，就可以实现对不同LED 终端的控制。

3.2 基于TCP/IP 的ARM+FPGA 双处理器架构

选择了一款具备MAC (介质访问控制) 接口的CORTEX-M3 ARM 芯片——LM3S6965，可以实现TCP/IP 功能。也就是说，即使在异地，主要控制器在本地，且能上网，就可以控制本地的LED 终端的场景。

FPGA 由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O 单元阵列构成，一个FPGA 包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O 资源。一片FPGA 芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。

在分控制器中采用FPGA实现16 个串口的高速数据发送，FPGA 接收ARM 处理器的信息，包括场景信息、通信协议格式和参数配置等。

通过FPGA 技术及ARM 技术两者的结合，全面提升了控制器系统的性能，使整个系统的工作效率、控制实时性和系统可靠性得到了提高，且操作方便，又不乏技术的先进性。

3.3 16 个485 串口

DMX512 协议控制器是通过RS485 总线发出控制命令的，一个485 串口可以接入512 个地址，“512”之名由此而来。如果一个灯具有8 个RGB 三色模块，则要占24 个地址，那么一个串口最多只能接21 盏灯。

目前市场上的DMX512 协议控制器最多只有8 路串口，而现在实现了16 路串口，也就是说一个分控制器可以接336 盏灯(每个灯具24 个地址)。从8 路串口到16 路串口在技术上是一突破，因为占用微处理器的资源加倍了，另外还要实现这16 个串口的同步发送也非易事。

4、效益优势

4.1 通用性

多兼容LED 照明控制器可以兼容各类DMX512协议的不同灯具厂家的控制器。那么原本需要N 家控制器才能控制的复杂景观照明体系，可以简化为同一家控制器进行控制，实现了良好的通用性。不但解决了控制器之间的兼容问题，还将有效实现资源整合的可持续发展理念，在科技创新和绿色照明的今天，有着重要的现实意义。

4.2 节能性

多兼容LED 照明控制器能够实现各种效果的编辑，可以根据不同的需求，设置三大类的效果：节日模式、平常模式、节能模式。尤其是节能模式的设置，可以通过黑底流星、明暗渐变、交替流水等不同的效果来控制灯具，从而达到节能的目的。这种方式不但具有良好的观赏效果，更能较大程度地节约能源，符合绿色照明的实施理念。

4.3 稳定性

多兼容LED 照明控制器简化了元器件的使用，使得故障点大大降低。尤其是照明控制器的统一，弱电线路明显减少，避免了信号干扰和互相兼容的问题，使得产品在使用过程中的伤害程度降到了最低，稳定性大大提高。

5、结语

多兼容LED 照明控制器的研发成功，为维修保养节约了成本，避免因灯具生产厂家的原因而废弃大量LED 灯具。同时也规范了LED 照明控制市场的兼容性，每年仅一个地级城市市场LED 照明控制器（包括主控制器、分控制器）的更换量要达到几千台，推广至各省乃至全国，销售规模更加庞大。再则LED 灯具户外使用的复杂性和易损坏性，控制器的更换和使用将是一个长期的持续性过程，该多兼容LED 照明控制器的推广前景十分乐观。