多兼容LED照明控制系统关键技术及效益优势分析
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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。 |
