LED智能照明控制系统的研究

（上海森品电子科技有限公司）

一．前言：

随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步，大功率LED照明应用的普及，人们对 LED 照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高，LED智能照明系统应运而生。LED 智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的各种 LED 照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。

 

关键词：以太网、LED、TCP/IP、DMX512、DALI、RS-485、DMX-NET

 

二．以太网、TCP/IP简介：

以太网(Ethernet)是一种计算机局域网组网技术。IEEE 制定的 IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环网、FDDI 和 ARCNET。 以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了最大程度的减少冲突，最大程度的提高网络速度和使用效率，使用交换机（Switch）来进行网络连接和组织，这样以太网的拓扑结构就成了星型，但在逻辑上以太网仍然使用总线型拓扑和 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect 即带冲突检测的载波监听多路访问) 的总线争用技术。

 

TCP/IP 通讯协议集是当前网络最普遍使用的数据传输协议，它是著名的国际互联网的主体协议。TCP/IP 协议的基本传输单位是数据包。TCP 协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头，(就像给一封信加上信封) 包头上有相应的编号以保证在数据接收端能将数据按顺序还原为原来的格式。 IP 协议在每个包头上再加上接收端设备地址，这样数据能找到自己要去的地方。(就像信封上要写明地址一样) 如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况， TCP 协议会自动要求数据重新传输。IP协议保证数据的传输， 因此是个地址协议。TCP协议保证数据传输的质量，因此是个传输控制协议。

 

三. DMX512简介:

了解灯光的从业人员都会知道这种协议，它是当今使用最广的灯光通讯协议。出于USITT（美国剧院技术协会）把 Colortran 公司的 CMX192中的Band rate 从153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192CH变为512CH后发表（CMX与DMX结构大致相同）。当初发表时 Mark After Break(MAB)为4uS，在随后的应用中发现常有讯号刷新的问题而把 MAB 延长为8uS并定义为DMX-512(1990)版本。它的广泛使用是由于结构简单、成本低、容易理解等，各大厂商先后把DMX512接口加到产品上。DMX512协议的成功推广且大家乐于使用的另一大功臣是数十年来电脑灯具的迅速发展及大量使用于大型演出中。DMX512 仍然是科学上的一个新领域，具有在规则基础上产生的各种奇妙技术。

 

DMX512控制线采用5针XLR（有时候是3针）连接设备，母接口适用于发送器，而公接口适用于接收器。规范中建议用一条两对导线（4 个连接口）来实现屏蔽，虽然只是需要其中一对。第二对导线用于未指定的可选场合中。必须注意的是一些调光器使用这些线来指示故障和状态信息。如果调光器用第二个信道，则需要专门配置的分路器和中继器。

 

XLR 连接器的针口分配如下：

1 屏蔽 地/0 伏

2 内部导体（黒） 数据–

3 内部导体（白） 数据＋

4 内部导体（绿） 备用数据－

5 内部导体（红） 备用数据＋

 

四. 业界主流LED控制系统简介：

4.1：串行控制系统，以级联的方式进行控制，每个灯的信号线采用一进一出的方式。代表产品有标准595及兼容芯片，例如台湾点晶的DM134、135等。由于这种控制方式的芯片本身不产生灰度，如果需要灰度要由控制器来产生，导致系统的传输速率过高，在工程应用中容易受完成扰稳定性差。

 

优点：成本低，控制简单，不需要设置地址，对于一些稳定性、可靠性要求不是很高的项目可以采用此种控制方式。

 

缺点：信号线过多，通常需要5根信号线（时钟、数据、锁存、OE、地）。

由于采用一进一出的方式，导致当一个灯出现故障，影响后现一串灯的正常工作。

信号线采用TTL传输，灯与灯之间的距离只能在1米以内。

非标准系统，灯具与控制器必须是同一厂家的产品，否则两者无法兼容。

 

4．2：现场总线控制系统，其中分为DALI总线和RS485总线两大类。

 

4.2.1 DALI简介：

上世纪90年代末，照明工业开发了DALI标准（Digital Addressable Light Interface）。这个数字可寻址照明接口被设计取代传统用于调光灯镇流器的1～10Ｖ电压接口。DALI定义了一个标准化的数字镇流器接口，不依赖于任何厂商的DALI标准已经作为IEC60929国际标准，保证了不同照明设备厂商的镇流器的互操作性。DALI组件创造了灵活、低成本、分布式的新一代开放数字照明系统。这个新的开放标准对于照明控制解决方案的未来业务有很大的影响，它正在从根本上改变基于传统1～10V电压接口的照明控制解决方案的方式。

 

DALI标准已经定义了一个DALI网络包括最大的64个单元（可独立地址），16个组及16个场景。DALI总线上的不同照明单元可以灵活分组，实现不同场景控制和管理。在实际应用中，一个典型的DALI控制器控制多达40～50盏灯，可分成16个组，同时能够并行处理一些动作。在一个DALI网络中，每秒能处理30～40个控制指令。这意味着控制器对于每个照明组，每秒需要管理2个调光指令。DALI并不是真正的点对点网络，它是代替1～10V电压接口控制镇流器。DALI控制器通常被连接到更高级的设备网络，如以太网，以支持更多的设备和足够的网络带宽。

 

显然DALI不适合LED照明控制，一个DALI网络只能控制21盏全彩LED灯具。DALI是面向传统照明控制的，注重的是系统的静态控制及可靠性、稳定性、兼容性。而LED照明系统的规模远远大于DALI系统，主要追求灯具艺术效果表现力，适当的兼顾系统的智能化，这就要求系统具有无限扩展能力和较高的场景刷新能力。

 

4.2.2 RS-485简介：

RS-485 标准最初由电子工业协会（EIA） 于1983 年制订并发布，后由TIA—通讯工业协会修订后命名为TIA/EIA-485-A，不过工程师还是习惯地称之为RS-485。RS-485 由RS-422 发展而来，后者是为弥补 RS-232 之不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kbps时），并允许在一条平衡线上连接最多10 个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向平衡传输规范，为扩展应用范围，随后又为其增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，这就是后来的 EIA RS-485标准。

 

RS-485 是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议。RS-485 标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS-485接口的主要特点如下：

1.平衡传输

2.多点通信

3.驱动器输出电压（带载）≥1.5V

4.接收器输入门限：?/SPAN>200mV

5.-7V 至 12V 总线共模范围

6.最大输入电流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）

7.最大总线负载：32个单位负载（UL）

8.最大传输速率：10Mbps

9.最大电缆长度：4000英尺

 

RS485只规定物理层，留给各厂商充分发挥空间。世界上多种现场总线（包括DMX512）物理层均使用RS485协议。在LED照明控制领域，大家通行的做法是每个LED灯具内置一片MCU控制并通过RS485接口芯片连接到RS485总线上，用一台控制器对RS485总线上的每个MCU发送数据进行控制。由于这种控制方式需要对每个灯具设定地址，在工程应用中很不方便。虽然各控制系统厂商都是用RS485协议，但应用层标准还未统一，所以造成各个厂商的产品无法兼容，既灯具厂商的灯具只能由灯具厂商指定的控制系统控制。

 

五．DMX-NET系统介绍：

由于计算机网络技术、DMX512标准的普及和快速发展，在LED照明控制领域，采用现有成熟的计算机网络技术，DMX512标准和产品是相当明智的方法。使用以太网、TCP/IP、DMX512作为LED照明控制意味着拥有大量现成众多的网络产品、软件资源、DMX512产品。例如控制台、集线器、电缆、光纤和无线连接产品以及远程控制和监测技术，此外现有大楼和各种场所已遍布以太网，更可方便LED照明工程的临时使用。

 

本公司基于以上因素把计算网络技术和DMX512标准整合在一起，推出新一代LED智能照明控制系统“DMX-NET”系统。本系统融合两种技术的优点，使整个系统的带宽、距离、可靠性和双向等功能的实现，这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制协议使LED照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测和控制更有效，因而构筑大规模可靠的LED照明系统的网络成本更低。

 

5.1 DMX-NET系统架构：

DMX-NET系统是基于TCP/IP协议和DMX512协议的系统，由传输TCP/IP协议的主干网络和DMX512协议的子网组成。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 DMX-NET系统组件功能：

基本PC机平台的DMX-NET管理软件整个系统的中心，负责系统各项的功能控制及接收远程控制信号的控制，例如时间控制、场景控制、现场的艺术效果控制。

网络节点控制器负责接收系统发送的TCP/IP协议数据、同时把TCP/IP协议数据转化为DMX512协议数据发送给DMX512设备。

 

DMX Decoder的功能是接收DMX512数据转化为PWM信号控制LED灯的调光或开关。

 

整个系统的数据流向从计算机到以太网转DMX512网络节点到DMX Decoder。

 

5.3 DMX-NET网络拓扑结构：

DMX-NET系统主干网采用TCP/IP协议传输数据，并没有规定物理层传输介质，用户可以根据网络规模选择合适的网络类型，一个超大型LED灯光工程选择光纤传输数据比较合适，中小型LED灯光工程选择以太网传输数据。

 

DMX-NET系统子网采用标准DMX512协议传输数据，并针对DMX512起始地址的设置推出三种解决方案，有效克服了传统DMX512设备需要拨码开关来设置DMX512起始地址问题。

1．采用DMX写地器手动设置DMX Decoder 起始地址。

2．采用DMX写地器自动设置DMX Decoder 起始地址。

3．自适应DMX起始地址技术，此方案不需要DMX写址器设置DMX起始地址。系统各DMX Decoder 自动配置DMX起始地址。

 

六．结语：

DMX-NET系统已广泛应用于城市夜景亮化工程、室内装饰照明及显示工程项目上，在色彩的表现能力、灯光的控制能力、环保节能等环节给人们全新的视觉享受。结合网络技术、DMX512技术，全新的智能化LED照明控制系统必将给人类的照明观念和照明文化带来一场新的革命。

参考文献

[1]  www.usitt.org  DMX512协议

[2] 《TCP/IP实用技术指南》   [美] M.F.Arnet等   清华大学出版社