CN102905433A - 多兼容led照明控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多兼容LED照明控制系统，所述的系统包括主控制器、分控制器和LED灯具，主控制器依据UDP协议向分控制器传递DMX512亮度数据信号，分控制器智能接收DMX512亮度数据信号，处理之后输出给LED灯具。多兼容LED照明控制系统可根据需要存储灯光变化模式，并通过主控制器以及分控制器对LED灯具实现变化模式控制，实现灯光的调节以及变化，达到节能及美观的效果。

Description

多兼容LED照明控制系统

技术领域

本发明涉及一种多兼容LED照明控制系统，尤其适用于城市灯光控制，能够记忆变化模式，暂停变化模式，对灯具进行灯光变化及调光。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对照明的要求越来越高。传统机械式开关照明系统功能简单、布线复杂、扩展性差，已不能满足人们的要求，网络化的智能照明系统应运而生。智能照明系统最突出的优点是综合计算机网络、电子技术和现代灯具的先进制造工艺，为不同场合设计要求各异的照明系统，在提供简捷的照明控制的同时，能营造和谐舒适的氛围，并最大限度地节约能源。

智能照明系统的工作是建立在网络通信基础上，目前智能照明系统的主流通信协议主要包括：DMX512，ACN(Advanced Control Network)，DALI等。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，ACN，DALI协议，使得一般的协议控制系统无法兼容多个不同厂家的LED终端，研发具有多兼容性的LED照明控制系统变得非常有价值。

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带到了一个全新的高度，如果说以前智能照明控制仅仅出现在一些舞台灯光的设计方面，那么现在这项技术便开始转向于跟人们的日常生活更加贴近的场所，使更多的民众能够体验到这项新技术。同时，“分布式控制"这个概念正在计算机网络领域兴起，聪明的设计者灵活地将这一概念运用到智能照明控制上面，从而极大地发挥了智能照明控制的功能。

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、百花争艳的场面。大致可以分为以下几类：首先是C-Bus协议、Dynet协议以及LUTRON灯光控制技术，这些协议都是由一些著名的灯光设备制造厂商独立研发出来的；以上的这些协议在它们各自的领域发挥着重要的作用，美国剧场协会的那些委员们当初在制定灯光控制协议的时候也不会想到如今各种协议充斥于照明市场，他们的初衷是建立一个统一的标准来规范智能照明系统，可实际情况下，想要在短期内将这么多的协议统一到一种协议上是有相当难度的。鉴于此，我们可以想象，在相当长一段时期内，以DMX512协议为主，多种协议并存、相互交叉应用的情况将会一直存在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多兼容LED照明控制系统，适用于景观照明系统进行灯光调节，PC远程控制，设置多种变化模式，变化暂停等功能，成本低、体积小、方便安装及维护。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多兼容LED照明控制系统，所述的系统包括主控制器、分控制器和LED灯具，主控制器依据UDP协议向分控制器传递DMX512亮度数据信号，分控制器智能接收DMX512亮度数据信号，处理之后输出给LED灯具。

优选的，所述的主控制器与分控制器之间的信号通过以太网传递。

优选的，所述的分控制器包括ARM微处理器和FPGA，ARM微处理器接收从主控制器发出的信号处理之后传递给FPGA，采用FPGA提高系统的实时性，FPGA挂在ARM总线上，采用ARM的处理能力以及FPGA的并行性，实现UDP和DMX512的无缝结合，提高系统实时性。

优选的，所述的主控制器包括ARM微处理器和人机交互设备，人机交互设备接收输入信号传递给ARM微处理器处理之后输出。

优选的，所述的主控制器还包括SD卡控制器，ARM微处理器读取SD卡控制器内SD卡存储的信息文件转化成输出信号。

优选的，所述的分控制器为255个，每个分控制器对应一个DMX512总线系统，将系统的容量提高255倍。

优选的，所述的DMX512总线系统包括16个DMX512总线，可以对8192个灯具进行亮度调节，系统具有网络功能，可扩展，网络中可接入64个分控制器，扩展为1024路DMX512总线输出。

本发明达到的有益效果是，多兼容LED照明控制系统可根据需要存储灯光变化模式，并通过主控制器以及分控制器对LED灯具实现变化模式控制，实现灯光的调节以及变化，达到节能及美观的效果。

附图说明

图1是本发明系统组成的示意图；

图2是本发明分控制器的示意图；

图3是本发明主控制器的示意图；

图4是本发明分控制器硬件框架的设计图；

图5是本发明主控制器硬件框架的设计图。

具体实施方式

下面参照附图以示例的方式对本方案的实施方式进行说明。

本发明的优选实施方式的目的在于提供一种多兼容LED照明控制系统，如图1所示包括主控制器、分控制器和LED灯具三个部分，主控制器和多个分控制器组成灯光控制系统，灯具产生光源，主控制器通过UDP协议与分控制器通讯，向分控制器发送DMX512亮度数据信号，分控制器根据UDP协议智能的接收数据信号，然后对LED灯具进行亮度调节，最终实现整个灯光网络的控制。

系统中主控制器内的上位机用专用的软件通过以太网发送给分控制器，分控制器中通过ARM微处理器来接收发过来的数据信号，这些数据信号经过适当的处理后，再通过ARM微处理器转发送给FPGA，之后传输给LED灯具（如图2所示）；如图3所示另一种方式是脱机方式，即不需要通过电脑来控制，用户只需要把所要显示方式、协议格式等信息存放到SD卡里，再把SD卡插到主控制器上的SD卡控制器中，主控制器的ARM微处理器把SD卡中的信息读出来，通过以太网发送到分控制器，同样也可以实现对LED终端的操作；系统配置多串口形式，这些串口可独立的配置各自的波特率，数据位个数，奇偶校验位等。系统把FPGA配置为16个串口，通过软件优化，实现这16个串口同步的发送数据，再通过各自的串口连接到LED终端。

主控制器先处理由灯光效果图生成的数据，然后通过UDP协议将灯光数据发送给分控制器。分控制器解析灯光数据，然后根据灯光数据控制灯具亮度，最终实现景观照明的设计。

在整个控制网络中，分控制器采用网络通信，控制灵活、可靠、智能性高；网络中可以接入255个分控制器，每个分控制器对应一个DMX512总线系统，将系统的容量提高了255倍。可以看出采用本设计方案，可以有效地解决了DMX512系统灯具控制容量小，智能性不高的缺点，充分满足景观照明控制系统的需求。

本发明要实现的控制系统中，由1个主控制器和若干个分控制器组成，主控制器由LM3S6965 ARM处理器、SD卡控制器、人机交互设备组成。

在分控制器设计中，每个分控制器最多有16个DMX512总线。分控制器以ARM处理器LM3S6965和FPGA（现场可编程门阵列）为平台实现。分控制器的硬件框图如图4，该分控制器主要分为两部分，一部分是ARM Cortex-M3嵌入式处理器，该部分实现网络UDP通信，调光协议解析，以及系统的控制和人机交互；另一部分是基于FPGA的DMX512控制模块，通过FPGA实现DMX512时序，实现DMX512中的控制时序功能，在该单个分控中有16个DMX512总线输出。

如图5所示LM3S6965为一款ARM Cortex-M3处理器，是系统的控制核心，负责UDP通信，调光协议的解析。该款芯片自带有网络控制器，这样可以省去网络控制芯片部分的设计，简化系统的复杂度。SD卡为场景数据的存放处，主控制器通过SD卡可以播放预先设计的灯光场景，当我们想要更换播放场景时，只需要重新拷贝一下场景数据到SD卡中。加上LCD和按键为系统提供很好的交互界面。

在主控制器和分控制器设计中，控制芯片都采用LM3S6965，是16/32-bit的RISC微处理器，工作频率最高为50MHz，其低功耗、高性能的特点为小型设备提供了微控制解决方案。LM3S6965基于ARM Cortex-M3内核，内置网络控制器，有1路SSP控制器，256KB Flash ROM, 64KB SRAM，完全满足需求。LM3S6965内部带有以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。所以这里只需要加上一个RJ45网口便可以完成网络部分的设计，HR911105A为一款带网络变压器的RJ45接口。

SD卡在24mmx32mmx2.1mm的体积中结合了SanDisk快闪记忆卡控制与MLC(Multilevel Cell)技术和Toshiba(东芝)O.16u及O.13u的NAND技术，通过lO针的接口界面与专门的驱动器相连接。不需要额外的电源来保持其上记忆的信息。而且它是一体化固体介质，没有任何移动部分，不会产生机械运动的损坏。

LM3S6965集成SD卡控制器，可以方便的对SD卡进行读写。SD卡体积小，容量大，可以存储大量的DMX512的亮度数据信息，在系统上可以对SD卡文件管理，处理器可以从SD卡中读取信息，完成对灯具的亮度调节。

ARM是高速处理器，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GPIO总线上。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。

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。

由于DMX512设备是一种相对慢速设备，采用ARM控制会降低系统的实时性，本系统要同时实现多路DMX512输出，如果用ARM实现，大大增加了CPU负担。FPGA具有并行处理和时序控制的优势，采用FPGA实现提高系统的实时性。在系统中，FPGA挂在ARM总线上，ARM可以方便的与FPGA通信，实现UDP和DMX512的无缝结合。

单个分控制器有16路DMX512总线输出，可以对8192个灯具进行亮度调节，系统具有网络功能，扩展方便，网络中可以接入64个分控制器，扩展为1024路DMX512总线输出，采用嵌入式系统设计，体积小、实时性高，功能强大，嵌入式系统的另一个优势就是可编程，后面可以方便的升级系统程序，让系统更智能，采用ARM和FPGA结合的方式，发挥了ARM处理能力，体现了FPGA的并行性，提高了系统的实时性，脱机方式中采用的SD卡可以提高系统扩展性和交互性，可以对系统做文件管理，完成更复杂的数据处理，具有液晶显示。

本设计采用ARM和FPGA实现DMX512协议控制，其中ARM主要负责网络通信，人机交互，FPGA主要实现DMX512协议。主控制器和分控制器之间的通信换成了速率为10M的以太网通信，在本系统的嵌入式软件开发中，采用的是keil4.0集成开发环境，具有开发环境简单，配置个项参数简单明了。编程语言采用的是C语言。各部分具体功能如下：ARM处理器要完成UDP网络通信，人机交互，FPGA通信等。系统任务相对来说不是很多，所以这里采用前后台系统，即不采用嵌入式操作系统，也节省开发的时间与难度。

开发完嵌入式软件后，软件部分的开发并没有结束，嵌入式软件主要完成的是板子控制部分。而灯具的场景文件的编写是无法在板子上完成的，而要借助电脑上的专用软件来完成。

场景文件编写软件是由LabWindows开发的，编程语言采用的也是C语言。该软件的功能主要是跟据用户的需求，来完成灯光场景的编辑并把场景转换成二进制数据文件，编辑完成以后，只需把该文件复制到SD卡中，把SD卡插入主控中，上电变可工作。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (7)

1.一种多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的系统包括主控制器、分控制器和LED灯具，主控制器依据UDP协议向分控制器传递DMX512亮度数据信号，分控制器智能接收DMX512亮度数据信号，处理之后输出给LED灯具。

2.根据权利要求1所述的多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的主控制器与分控制器之间的信号通过以太网传递。

3.根据权利要求2所述的多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的分控制器包括ARM微处理器和FPGA，ARM微处理器接收从主控制器发出的信号处理之后传递给FPGA。

4.根据权利要求3所述的多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的主控制器包括ARM微处理器和人机交互设备，人机交互设备接收输入信号传递给ARM微处理器处理之后输出。

5.根据权利要求4所述的多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的主控制器还包括SD卡控制器，所述主控制器的ARM微处理器读取SD卡控制器内SD卡存储的信息文件转化成输出信号。

6.根据权利要求1至4所述的任一多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的分控制器为255个，每个分控制器对应一个DMX512总线系统。

7.根据权利要求6所述的多兼容LED照明控制系统，其特征在于：所述的DMX512总线系统包括16个DMX512总线。

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