CN112751739B - 基于数据总线的长距离数据传输装置及智能灯具控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数据总线的长距离数据传输装置及智能灯具控制系统，该数据传输装置包括主控制器以及数据扩展模块，主控制器通过数据总线与数据扩展模块进行数据交互；数据扩展模块包括主设备数据传输电路与至少一个子设备数据传输电路，主设备数据传输电路包括第一通信芯片、第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一反相器以及微处理器，第一通信芯片输出的数据经过第一光电耦合器后输出至第一反相器，并经过第一反相器输出至微处理器；微处理器输出的数据传输至第一反相器，并经过第二光电耦合器后输出至第一通信芯片。该智能灯具控制系统包括上述的数据传输装置以及多个智能灯具。本发明能够避免数据总线的干扰信号对微处理器造成干扰。

Description

基于数据总线的长距离数据传输装置及智能灯具控制系统

技术领域

本发明涉及数据传输的技术领域，具体地，是一种基于数据总线的长距离数据传输装置以及具有这种数据传输装置的智能灯具控制系统。

背景技术

随着智能家居技术的发展，现在的家用电器越来越智能化，智能灯具是一种常见的智能电器。现有的一些智能灯具具有远程通信的功能，例如智能灯具内设置有控制器，控制器通过通信芯片接收外部发送的控制信号，并且控制智能灯具的工作，例如调节智能灯具的发光亮度或者色温等。其中，DMX512通信协议是一种常见的用于智能灯具与外部控制设备进行通信的协议。

DMX512通信协议是一种数字化娱乐灯光设备领域的通用控制协议，被广泛应用于娱乐照明行业，该通信协议因其简单、实用和高效的特点，在包括电脑灯在内的各种舞台效果灯、调光控制器、控制台、换色器、电动吊杆等各种舞台灯光设备中得到了广泛的应用。通过DMX512通信协议，可将市场上不同的信号类型的智能灯具进行统一控制，不管被控的智能灯具是什么类型，主控制器均可以实现预期的控制效果。

RDM协议是一种远程交互协议，用于弥补DMX512通信协议单向性及连续性的缺陷，RDM协议可在DMX512通信协议的物理拓扑网络下运行，几乎不需要更改任何硬件修改，只需在DMX512通信协议上增加RDM协议即可，并且可远程设置或获取DMX节点设备的参数，例如DMX地址、灯具状态、设备运行状态等等。

不管是RDM协议还是DMX512通信协议，其所运行的硬件环境都是基于RS485总线实现的，即主控制器需要通过RS485总线将控制信号发送至智能灯具，智能灯具将当前状态等数据通过RS485总线发送至智能灯具。

然而，由于智能灯具与主控制器之间的距离较长，导致RS485总线的长度也较长，因此在一些电磁环境复杂的场合、长距离和多个子设备的环境下，主控制器发送的数据容易受到环境信号的干扰，导致环境信号耦合至数据总线上形成差模干扰。另一方面，长距离的数据传输过程中，传输的数据衰减容易导致信号差错，多个子设备带载共存时候，信号的电压被降低，导致主控制器发送的指令不能被子设备正确执行，从而出现灯光意外闪烁或丢失控制信息、电机意外转动等情况。例如，当建筑立面或舞台灯光照明等可调光设备搭配用于调节灯具照射角度的电动机使用时，由于公用电源线路和布线方式等原因，电机启停时容易对通信线路造成干扰，电机启停时所产生的脉冲信号会导致灯光意外闪烁或丢失控制信息，严重影响整体视觉效果。

实际应用中，通过RS485总线实现主控制器与多台子设备进行的通信，存在以下的问题：

首先，一条RS485总线只能通过串口连接一台主控制器，同一时间只能完成一台主控制器与一台子设备之间的通信，如果同一时间有两个或两个以上主控制器都向总线发送广播信号，需要读取子设备的数据，就会相互干扰造成总线数据冲突。

其次，目前大多数RS485总线的接线都是半双工两线制，也就是同一时间只能有一台子设备发送数据，如果多台子设备在同一时间发送数据，会造成通信路的电平混乱，导致传输的数据失真。

最后，RS485总线上的主控制器对子设备采取依次轮询的方式进行访问，通信效率低，无法实时读取数据。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种有效避免电磁干扰的基于数据总线的长距离数据传输装置。

本发明的第二目的是提供一种应用上述基于数据总线的长距离数据传输装置的智能灯具控制系统。

为实现本发明的第一目的，本发明提供的基于数据总线的长距离数据传输装置包括主控制器以及数据扩展模块，主控制器通过数据总线与数据扩展模块进行数据交互；数据扩展模块包括主设备数据传输电路与至少一个子设备数据传输电路，主设备数据传输电路包括第一通信芯片、第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一反相器以及微处理器，第一通信芯片输出的数据经过第一光电耦合器后输出至第一反相器，并经过第一反相器输出至微处理器；微处理器输出的数据传输至第一反相器，并经过第二光电耦合器后输出至第一通信芯片。

由上述方案可见，第一通信芯片发送的数据经过第一光电耦合器后发送至微处理器，这样可以有效避免数据总线上的信号对微处理器接收到的数据造成电磁干扰，即使数据总线上的信号收到共模电压的干扰而导致信号电压过高，也不会影响微处理器的工作，从而提高数据扩展模块的抗干扰能力。

一个优选的方案是，第一光电耦合器和/或第二光电耦合器为高速光电耦合器。

由此可见，通过高速光电耦合器可以加快数据的传输效率，避免因光电耦合器的传输效率过低而影响数据的传输速率。

进一步的方案是，第一反相器为施密特触发器。由于施密特触发器为常见的反相器，使用施密特触发器可以降低数据扩展模块的设计难度与生产成本。

更进一步的方案是，第二光电耦合器具有两路隔离光路，其中一路隔离光路传输通信数据，另一路隔离光路传输控制数据。

由于RS485通信芯片以半双工的方式进行通信，微处理器可以通过第二光电耦合器向第二通信芯片发送控制数据以及通信数据，且两路隔离光路相互独立，可以提高通信的稳定性。

更进一步的方案是，子设备数据传输电路包括第二通信芯片、第三光电耦合器、第四光电耦合器以及第二反相器，第二通信芯片输出的数据经过第三光电耦合器后输出至第二反相器，并经过第二反相器输出至微处理器；微处理器输出的数据传输至第二反相器，并经过第四光电耦合器后输出至第二通信芯片。

可见，第二通信芯片发送的数据经过第三光电耦合器后发送至微处理器，这样可以有效避免智能灯具所传送的信号对微处理器接收到的数据造成电磁干扰，即使第二通信芯片所接收到的信号收到共模电压的干扰而导致信号电压过高，也不会影响微处理器的工作，从而提高数据扩展模块的抗干扰能力。

更进一步的方案是，子设备数据传输电路的数量为二个以上，多个子设备数据传输电路均连接至微处理器。

可见，通过多个子设备数据传输电路，数据扩展模块可以与多个子设备进行通信。

更进一步的方案是，多个子设备数据传输电路以时分复用的方式与微处理器进行通信。

这样，多个第二通信芯片发送的数据不会相互串扰，微处理器可以区分每一个第二通信芯片所传送的数据，从而确保各子设备能够正确执行主控制器发出的指令。

更进一步的方案是，第三光电耦合器和/或第四光电耦合器为高速光电耦合器，并且，第二反相器为施密特触发器。

为实现上述的第二目的，本发明提供的智能灯具控制系统包括上述的基于数据总线的长距离数据传输装置，每一个子设备数据传输电路通过第二通信芯片与一个智能灯具进行通信。

附图说明

图1是本发明智能灯具控制系统实施例的结构框图。

图2是本发明基于数据总线的长距离数据传输装置实施例的结构框图。

图3是本发明基于数据总线的长距离数据传输装置实施例中主设备数据传输电路部分器件的电路图。

图4是本发明基于数据总线的长距离数据传输装置实施例中子设备数据传输电路部分器件的电路图。

图5是本发明基于数据总线的长距离数据传输方法实施例的流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的基于数据总线的长距离数据传输装置应用于智能灯具系统，用于实现主控制与多个智能灯具之间的数据传输，以便于主控制器对多个智能灯具进行控制。并且，多个智能灯具可以向主控制器反馈数据，例如发送各智能灯具工作状态的信息。

智能灯具控制系统实施例：

参见图1，本实施例包括主控制器11以及数据扩展模块12，还包括多个智能灯具，例如包括智能灯具31、32、33等。图1仅仅示出了3个智能灯具，实际应用时，智能灯具的数量可以有多个，例如设置4个或者6个智能灯具，本实施例并不对智能灯具的数量作限制。

数据扩展装置12内设置有主设备数据传输电路15以及多个子设备数据传输电路，例如包括子设备数据传输电路21、22、23等，多个子设备数据传输电路21、22、23均与主设备数据传输电路15进行通信，即进行数据交互。并且，每一个子设备数据传输电路对应于一个智能灯具，具体的，子设备数据传输电路21对应于智能灯具31，子设备数据传输电路21可以向智能灯具31发送数据，并且接收智能灯具31发送的数据。类似的，子设备数据传输电路22对应于智能灯具32，子设备数据传输电路23对应于智能灯具33。

本实施例中，主控制器11与数据扩展模块12构成了基于数据总线的长距离数据传输装置。

基于数据总线的长距离数据传输装置实施例：

参见图2，主设备数据传输电路15内设置有第一通信芯片41、第一光电耦合器42、第二光电耦合器43、第一反相器44以及微处理器45，每一个子设备数据传输电路的结构均相同，本实施例以子设备数据传输电路21为例进行说明。子设备数据传输电路21内设有第二通信芯片51、第三光电耦合器52、第四光电耦合器53以及第二反相器54。

其中，第一通信芯片41与第二通信芯片51均为RS485通信芯片，主控制器11通过RS485总线与第一通信芯片41进行通信，即第一通信芯片41接收来自主控制器11发送的数据。第一通信芯片41发送的数据通过第一光电耦合器42后，输出至第一反相器44再输入至微处理器45，而微处理器45向第一通信芯片41发送数据时，所发出的数据先经过第一反相器44，经过第一反相器44的数据再经过第二光电耦合器43后输入至第一通信芯片41。

微处理器45还可以与多个子设备数据传输电路进行通信，具体的，微处理器45发出的数据经过第二反相器54后，经过第四光电耦合器53再输出至第二通信芯片51，而第二通信芯片51向微处理器45发送数据时，第二通信芯片51发出的数据先经过第三光电耦合器52，再经过第二反相器54后输入至微处理器45。另外，第二通信芯片51与智能灯具31进行通信，例如通过RS485总线向智能灯具31发送数据，并且接收智能灯具31反馈的数据。

参见图3，主设备数据传输电路15内设有接口端子J4，接口端子J4与RS485总线的端子连接，接口端子J4从RS485总线获取交流电源后输出至电源芯片U6，电源芯片U6为AC/DC芯片，即将交流电转换成直流电的芯片，输出的直流电向第一通信芯片、第一光电耦合器、第二光电耦合器、微处理器等供电。

第一通信芯片U3的2个引脚与接口端子J4连接，并且接收主控制器11发送的数据。由于第一通信芯片U3为RS485通信芯片，因此可以将RS485总线上的数据进行识别后发送至微处理器45。但是，由于RS485总线可能是长距离传输的总线，容易受到外界环境的电磁干扰，导致RS485总线上传输的数据受到电磁干扰而出现电压瞬间过高的情况，如果过高的电压直接传输到微处理器45，容易导致微处理器45接收到过高的电压而受到冲击，造成微处理器45的损坏。因此，本实施了中，第一通信芯片U3与微处理器45之间并不是直接电连接，而是经过第一光电耦合器或者第二光电耦合器进行光电隔离，避免第一通信芯片U3输出的电压过高而导致微处理器45受到冲击而损坏。

具体的，第一通信芯片U3向微处理器45发送数据时，所输出的数据先经过第一光电耦合器U7，当第一通信芯片U3输出的高电平信号时，第一光电耦合器U7的发光二极管发光，光电三极管导通，并输出高电平信号，当第一通信芯片U3输出的低电平信号时，第一光电耦合器U7的发光二极管不发光，光电三极管截止，并输出低电平信号。

另外，由于RS485总线传输的数据是经过长距离传输，数据总线上的信号容易发生衰减而导致信号的波形发生变形，为此，本实施例还设置了反相器，例如设置第一反相器，经过第一光电耦合器U7后的数据输出至第一反相器44。优选的，第一反相器44为施密特触发器，施密特触发器设置有多路输入输出端子，一个输入端子与一个输出端子对应，经过第一反相器44后，信号的波形将被反相，即高电平信号转换为低电平信号，低电平信号转换为高电平信号。通过第一反相器44可以修复经过长距离传输而衰减的信号波形，提高数据传输的准确性，避免信号失真。

经过第一反相器44的数据输出至微处理器45，微处理器45接收到数据后，将对所接收到的数据进行处理，具体的，对数据对应的信号波形进行整形，将在下文详细介绍微处理器45对波形整形的具体过程。

另外，微处理器45还可以接收子设备数据传输电路输出的数据，并且向第一通信芯片U3发送数据。微处理器45向第一通信芯片U3发送数据时，所发出的数据首先经过第一反相器44，由于第一反相器44具有多个输入输出端子，因此，微处理器45发送与接收的数据分别使用第一反相器44中不同的输入输出端子进行数据传输，也就是使用第一反相器44中不同的数据传输通路进行数据的传输、处理，这样可以避免第一反相器44内数据相互干扰。并且，微处理器45输入、输出的数据共用一个多通路的反相器，可以减少主设备数据传输电路15所使用的器件数量，并降低生产成本。

经过第一反相器44的数据传输至第二光电耦合器U8，例如第一反相器44输出的数据经过TXD端子、电阻R9输入至第二光电耦合器U8，此时发光二极管发光，对应的光电三极管导通并且输出高电平信号。本实施例中，第二光电耦合器U8是一个具有两路隔离光路的光电耦合器，其中一路隔离光路传输通信数据，即数据从TXD端子输入，并且输出至第一通信芯片U3的DI引脚。

由于第一通信芯片U3是半双工的通信芯片，微处理器45还需要向第一通信芯片U3输出信号以控制第一通信芯片U3的工作状态，即处于数据接收的状态还是处于数据发送的状态。因此，微处理器45还需要向第一通信芯片U3发送控制数据，本实施例中，微处理器45发出的控制数据经过第一反相器44后，输出至第二光电耦合器U8的REIN端子。因此，第二光电耦合器U8的另一路隔离光路用于传输微处理器45发出的控制数据。

微处理器45接收到第一通信芯片U3发送的数据，往往需要向子设备数据传输电路发送数据。参见图4，子设备数据传输电路21内第二通信芯片U13，第一通信芯片U13的2个引脚连接至RS485总线，从而实现与智能灯具31的通信。本实施例中，第二通信芯片U13为RS485通信芯片，因此可以将RS485总线上的数据进行识别后发送至微处理器45。并且，第二通信芯片U13与微处理器45之间并不是直接电连接，而是经过第三光电耦合器或者第四光电耦合器进行光电隔离，避免第二通信芯片U13输出的电压过高而导致微处理器45受到冲击而损坏。

具体的，第二通信芯片U13向微处理器45发送数据时，所输出的数据先经过第三光电耦合器U17，当第二通信芯片U13输出的高电平信号时，第三光电耦合器U17的发光二极管发光，光电三极管导通，并输出高电平信号，当第二通信芯片U13输出的低电平信号时，第三光电耦合器U17的发光二极管不发光，光电三极管截止，并输出低电平信号。

另外，由于RS485总线传输的数据是经过长距离传输，数据总线上的信号容易发生衰减而导致信号的波形发生变形，为此，本实施例还设置了反相器，具体的，子设备数据传输电路21内设置有第二反相器，经过第三光电耦合器U17后的数据输出至第二反相器54。优选的，第二反相器54为施密特触发器，施密特触发器设置有多路输入输出端子，一个输入端子与一个输出端子对应，经过第二反相器54后，信号的波形将被反相，即高电平信号转换为低电平信号，低电平信号转换为高电平信号。通过第二反相器54可以修复经过长距离传输而衰减的信号波形，提高数据传输的准确性，避免信号失真。经过第二反相器54的数据输出至微处理器45，微处理器45接收到数据后，将对所接收到的数据进行处理，具体的，对数据对应的信号波形进行整形。

另外，微处理器45在接收到主设备数据传输电路15输出的数据，并且向第二通信芯片U13发送数据。微处理器45向第二通信芯片U13发送数据时，所发出的数据首先经过第二反相器54，由于第二反相器54具有多个输入输出端子，因此，微处理器45发送与接收的数据分别使用第二反相器54中不同的输入输出端子进行数据传输，也就是使用第二反相器54中不同的数据传输通路进行数据的传输、处理，这样可以避免第二反相器54内数据相互干扰。并且，微处理器45输入、输出的数据共用一个多通路的反相器，可以减少子设备数据传输电路21所使用的器件数量，并降低生产成本。

经过第二反相器54的数据传输至第四光电耦合器U18，例如第二反相器54输出的数据经过TXD1端子、电阻R19输入至第四光电耦合器U18，此时发光二极管发光，对应的光电三极管导通并且输出高电平信号。本实施例中，第四光电耦合器U18是一个具有两路隔离光路的光电耦合器，其中一路隔离光路传输通信数据，即数据从TXD1端子输入，并且输出至第二通信芯片U13的DI引脚。

由于第二通信芯片U13是半双工的通信芯片，微处理器45还需要向第二通信芯片U13输出信号以控制第二通信芯片U13的工作状态，即处于数据接收的状态还是处于数据发送的状态。因此，微处理器45还需要向第二通信芯片U13发送控制数据，本实施例中，微处理器45发出的控制数据经过第二反相器54后，输出至第四光电耦合器U18的REIN端子。因此，第四光电耦合器U18的另一路隔离光路用于传输微处理器45发出的控制数据。

由于子主设备数据传输电路的数量为二个以上，为了确保微处理器45能够准确的与多个子主设备数据传输电路进行通信，本实施例中，微处理器45通过时分复用的方式与多个子主设备数据传输电路进行通信。例如，微处理器45通过相同的一组引脚连接至多个子主设备数据传输电路，但微处理器45设定了每一个子主设备数据传输电路向微处理器45发送数据的时间，且微处理器45也设定了向各个子主设备数据传输电路发送数据的时间，各子主设备数据传输电路在规定的时间内向微处理器45发送数据，或者接收来自微处理器45发送的数据。

智能灯具控制方法实施例：

本实施例中，多个智能灯具由主控制器进行控制，并且，主控制器通过RS485总线与数据扩展模块12进行通信，在数据扩展模块12内设置有主设备数据传输电路15与多个子设备数据传输电路，主设备数据传输电路15内设置有第一通信芯片41与微处理器45，第一通信41与微处理器45之间并不是直接通信，而是通过光电耦合器与第一反相器进行通信。子主设备数据传输电路内设置有第二通信芯片51，第二通信51与微处理器45之间并不是直接通信，而是通过光电耦合器与第二反相器进行通信。并且，微处理器45接收到数据后，还需要对数据的信号波形进行整形、数据存储等操作。

基于数据总线的长距离数据传输方法实施例：

参见图5，微处理器首先执行步骤S1，采集通信数据，例如获取第一通信芯片或者第二通信芯片的数据，第一通信芯片的数据是来自于主控制器11的数据，第二通信芯片的数据是来自于智能灯具的数据。因此，不管是来自于主控制器11的数据还是来自于智能灯具的数据，微处理器45均对所接收到的数据的信号进行波形整形。

然后，执行步骤S2，判断所接收到的数据的信号波形持续时间是否小于预设时间，例如信号的波形持续小于1微秒。基于DMX512通信协议，信号的波形通常持续大约4微秒，即传输一个有效的数据时间是4微秒，如果某一信号的持续时间过短，可以认为该信号为干扰信号，因此，步骤S2判断该信号的波形持续时间是否小于1微秒。如果小于1微秒，则直接删除该数据，即执行步骤S3。

如果步骤S2的判断结果为否，表示接收到的数据的信号波形持续时间较长，则执行步骤S4，判断数据的信号波形持续时间是否在预设范围内，例如是否在1微秒到4微秒之间，如不是，表示信号波形的持续时间超过4微秒，信号没有衰减，执行步骤S5，直接输出该数据，否则，执行步骤S6，对信号波形进行调整，即将信号的波形调整为持续时间为4微秒，确保输出的信号的波形为预设的波形。最后，执行步骤S7，将步骤S6调整后的波形输出。

可见，本发明通过多个光电耦合器对输入到微处理器的信号进行隔离，避免数据总线收到电磁干扰产生的高压信号对微处理器造成影响。并且，通过反相器对信号的波形进行整形，加上微处理器对信号的波形进行整形，可以避免数据失真，提高数据传输的准确性。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如数据总线采用的类型的改变，或者子设备数据传输电路数量的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于，包括：

主控制器以及数据扩展模块，所述主控制器通过数据总线与所述数据扩展模块进行数据交互；

所述数据扩展模块包括主设备数据传输电路与至少一个子设备数据传输电路，所述主设备数据传输电路包括第一通信芯片、第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一反相器以及微处理器，所述第一通信芯片输出的数据经过所述第一光电耦合器后输出至所述第一反相器，并经过所述第一反相器输出至所述微处理器；

所述微处理器输出的数据传输至所述第一反相器，并经过所述第二光电耦合器后输出至所述第一通信芯片，且所述微处理器对于数据的信号波形持续时间在1微秒到4微秒范围内的信号波形进行整形。

2.根据权利要求1所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述第一光电耦合器和/或所述第二光电耦合器为高速光电耦合器。

3.根据权利要求1所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述第一反相器为施密特触发器。

4.根据权利要求1所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述第二光电耦合器具有两路隔离光路，其中一路隔离光路传输通信数据，另一路隔离光路传输控制数据。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述子设备数据传输电路包括第二通信芯片、第三光电耦合器、第四光电耦合器以及第二反相器，所述第二通信芯片输出的数据经过所述第三光电耦合器后输出至所述第二反相器，并经过所述第二反相器输出至所述微处理器；

所述微处理器输出的数据传输至所述第二反相器，并经过所述第四光电耦合器后输出至所述第二通信芯片。

6.根据权利要求5所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述子设备数据传输电路的数量为二个以上，多个所述子设备数据传输电路均连接至所述微处理器。

7.根据权利要求6所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

多个所述子设备数据传输电路以时分复用的方式与所述微处理器进行通信。

8.根据权利要求5所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述第三光电耦合器和/或所述第四光电耦合器为高速光电耦合器。

9.根据权利要求5所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，其特征在于：

所述第二反相器为施密特触发器。

10.智能灯具控制系统，其特征在于，包括如权利要求6至9任一项所述的基于数据总线的长距离数据传输装置，每一个子设备数据传输电路通过所述第二通信芯片与一个智能灯具进行通信。

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