引言
燈光控制系統大量采用了由USITT(美國劇場技術協會)提出的DMX512通信協議，該通信協議采用異步通信格式。燈具控制方案主要包括DMX512協議、DALI總線方案、SPI移位總線方案。DMX512是現在最流行的控制方法，但是在實際應用中多采用控制器互聯來進行控制的照明方案，軟件比較復雜。DALI總線是歐洲提出的一種燈光控制總線方案，DALI系統中每個燈具都有一個地址和一組控制命令，但其通信的速度不夠快。SPI移位總線方案是采用級聯的方法，變化速率很高，但是此方法數據量比較大，燈之間的線較多，軟件難度大，產品可靠性差。
DMX512標準要求每個燈具都要有一個控制器，而每個燈都要設置地址很麻煩，異步傳輸方式也很麻煩。針對此缺點，本文提出了基于SD5 128的同步DMX512的LED控制系統設計。本文給出了同步DMX512實現的軟硬件設計方法，在硬件上增加了存儲接口芯片以實現燈光控制數據的移動存儲，具有更好的拓展性。
同步DMX512是采用同步MX512總線(用一根線實現控制數據的移位和置入)的同步串行傳輸的方式，吸取了DMX512和SPI移位總線兩者的優點。同步DMX512在電氣特性、數據結構方面與DMX512協議大致相同，采用同步傳輸的方法來進行兩線移位傳輸，并且采取了SPI一位傳輸的方法來避免DMX512協議的地址設置問題。同步DMX512保留了DMX512的電氣特性，故在燈與燈之間的距離不是很遠的情況下，不使用RS485總線。
1 DMX512燈光控制協議
DMX512協議是一個數字調光協議，應用它能夠對舞臺、劇場、演播室等場所的調光器以及其他的控制設備進行數字控制，適用于一點對多點的主從控制。其互聯形式采用了多點總線結構，不存在信息通路阻塞問題，可靠性較高。
協議規定控制信號數據包的傳輸通過異步通信的方式進行。一個DMX512數據包包含起始碼和512個數據幀。每一幀數據包括1位低電平起始位、8位數據位、2位高電平停止位。一個數據幀代表一個控制通道，因此該協議支持512個控制通道。DMX512協議的幀結構與數據包結構如圖1所示。
2 SD5128及其同步DMX512協議
SD5128是高集成度低功耗LED控制芯片。它采用的單線傳輸模式，內置采樣／時鐘再生電路、數字鎖相電路、移位寄存器、脈寬調制模塊，級聯能力超過1024顆芯片；提供3個I／O通道，每通道最大8 mA輸出電流，采用外置驅動的工作模式，可驅動三極管和MOS管。SD5128采用24位真彩色(8R+8G+8B)，結合DMX512協議數據格式，SD5128的幀結構與數據包結構如圖2所示。
圖2中，數據幀和結束符都是高位先移入，每個數據位在時鐘的上升沿被采樣，下降沿被打出；第一個數據幀對應距移入端最近的LED燈，N表示芯片數量。結束符=1位“0”+24位“1”，但在實際編程中，按字節發送1位的“0”和31位的“1”，所以結束符實際為“0x7FFF-FFFF”。
對比圖1與圖2，可以發現SD5128的幀結構和數據包結構比DMX512更簡潔。SD5128幀結構沒有起始位和停止位，數據位從8位增加到24位(8R+8G+8B)；SD5128的數據包包括24×N位數據(即N幀數據)和1個結束符，沒有DMX512的MTBP位、BREAK位、MAB位、SC位。更簡潔的數據結構對實現快速的同步DMX512協議有很大的作用，SD5128的單線級聯移位串行控制使控制系統更加簡潔，接線更加簡單。
SD5128的級聯方式能實現多像素點控制，每個SD5128控制一個LED像素點，級聯方式如圖3所示。
3 LED控制系統設計
3．1 硬件設計
硬件結構如圖4所示。相比傳統的DMX512主從控制模式要簡單很多，只有一個主控制器(MCU)、級聯的SD5128芯片和存儲DMX512數據文件的USB接口芯片。
SD5128與RGB LED燈的連接方式如圖5所示?？梢詫崿F單色256個灰度變化以及2 563種混合顏色變化，達到更好的混色效果。
USB接口選擇南京沁恒電子公司研發的USB接口芯片CH375，采用被動并行接口方式。CH375工作在主機方式下，主要實現單片機讀U盤功能以及對燈光數據的移動控制，增強了可拓展性和易用性。CH375與MCU的接口電路如圖6所示，CH375的D0～D7與MCU的P1總線相連。
3．2 軟件設計
MCU通過讀取U盤中存儲的燈光控制文件來實現對LED燈的控制。U盤中可以存放多個文件，且每個文件都是一組數據的組合，并以文件名區分和識別。CH375提供了U盤文件級子程序庫，MCU可以直接調用子程序庫讀寫U盤中的燈光控制數據，無需考慮文件系統，這不僅降低了研究難度，而且也降低了綜合開發成本。主程序流程如圖7所示。
當確定U盤插入時，先搜索U盤里指定文件的個數，再讀取指定的文件，判斷該文件的大小，打開文件并發送一組控制數據。當一組控制數據的末尾是0x7FFFFFFF時，說明是一組控制數據的結束符，再發送下一組控制數據，直到文件中數據發送完為止，關閉文件并打開下一個文件。這樣，U盤中多個文件可以組合成絢麗的控制效果。
結語
傳統DMX512協議采用多控制器互聯的控制方法，較為復雜。本文采用基于SD5128的同步DMX512實現LED系統的控制，用單個控制器來實現DMX512協議，不僅讓控制系統更加簡單，而且使用U盤存儲燈光控制數據能夠極大地方便用戶。