基于DMX512协议的RGB激光电脑灯的设计*

2011-08-08于明朱万彬张歆东

照明工程学报 2011年4期

于明朱万彬张歆东

(1.吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春 130033)

1 引言

电脑灯是一种应用于舞台表演领域的数字化照明设备，能够通过颜色和明暗变换、频闪、追光等效果烘托舞台氛围，表现特定的艺术效果。随着电脑灯的发展，LED和激光光源也逐渐应用到电脑灯上。与传统的气体放电灯或金属卤化物灯［1］相比，激光电脑灯具有功率低、无紫外辐射和不易损耗的优点。本文设计了一种以RGB三色激光为光源的电脑灯，通过对三束激光亮度的调节，实现全色光的输出。

灯具以DMX512控制协议为标准，采用单片机作为控制和处理单元，对DMX512信号进行接收和解码，再发送相应的指令给步进电机带动各受控端，完成灯头转动、快门开合等动作，实现照明功能。基于DMX512协议的控制系统使灯具的使用简单方便，同时对其他的DMX512灯具及控制台有良好的兼容性。

2 DMX512协议简介

DMX512协议是美国剧场技术协会 (USITT)于1990年提出的一项灯光控制的数字化标准［2］。该协议由于其良好的适用性，被大多数的生产商和用户所接受，直至目前仍有大量的DMX512产品应用于舞台照明。

DMX512信号格式如图1。图中MTBP为数据包之间的空闲信号。数据包以起始标志 (BREAK)开始，用于信号发送和接收的检测，起始标志通常大于88μs。MAB通常是一个8μs的高电平。MAB之后的第一帧数据是起始码 (SC)，为低电平。之后是搭载着控制信息的512个数据帧，每一帧数据可以控制一个通道。一个数据帧由11位组成，包括一个低电平的起始位、八个数据位 (D0-D7)和两个高电平的结束位。故理论上一条DMX512数据线可以控制512个通道，每个通道最多可以有256个控制状态。DMX512信号每一位的宽度为4μs，典型传输速率为250kb/s。

图1 DMX512信号格式

3 系统构成

系统总构成如图2。整个系统包括电路部分、机械部分和光学部分。其中MCU选用8052单片机，主要负责DMX512信号的接收和解码。经解码的控制信号按照各通道的地址编码分别发送给对应的受控端。发送到激光器的控制信号调节RGB激光器的输出功率，使得三束光经过光学系统混色后产生特定颜色的光输出。发送给步进电机驱动芯片的控制信号控制步进电机转动［3］，实现灯头 X轴摆动、Y轴俯仰运动、快门开合、图案板转动等动作。在各路控制信号的共同作用下即可在舞台上呈现出绚丽多彩的灯光效果。

图2 系统框图

4 软件实现

控制台发出的DMX512信号是通过串口输入给灯具的，故软件部分主要负责串口数据的接收和解码。实际工作时通常是多个灯具共用一路控制信号，为了让各个灯具的控制信息不至混淆，需要对各个灯具设置起始地址［4］，这对 DMX512信号的接收十分重要。例如某系统中有三台电脑灯，通道数分别为8、12、16。在将灯具接入系统前，分别设置其起始地址为1、9、21，在软件控制下第一台电脑灯接收数据包中的第1到8帧数据，第二台电脑灯接收第9到20帧数据，第三台电脑灯接收数据包中的第21到36帧数据。

串口接收程序［5］流程图如图3，图中 n为当前读取数据帧的帧数，a为本机起始地址，b为本机通道数。首先打开串口，设置串口寄存器。数据包以BREAK信号为起始，故等待BREAK信号到来以开始数据包的接收。BREAK信号的检测可以采用中断服务调用定时子程序完成，当低电平大于88μs时即检测到BREAK信号。SC信号的检测同理。为防止误码，检测BREAK信号后是否有一帧低电平的SC信号。接下来从第一帧开始采用逐帧对照的方法找到对应本机起始地址的数据帧，找到后逐帧接收数据直至本机全部控制数据接收完毕。至此一个数据包接收完毕，继续等待下一个BREAK信号到来。

图3 串口接收程序流程

软件部分另一个功能是将接收到的每一帧数据转换成步进电机驱动芯片和调光器能够识别的控制信号，即DMX512信号的解码。这部分程序根据灯具各通道的DMX数值与控制状态的对应关系而不同。例如通道4为灯头Y轴俯仰角的控制通道，DMX值在0～255之间变化对应俯仰角0～180°的变化，则程序中可通过查表的方式将接收到的第四帧数据转换成步进电机驱动芯片能够识别的信号发送出去，使灯头俯仰角达到预期的位置。

5 光学系统

传统的电脑灯通常采用气体放电灯或金属卤化物灯作为光源。这种光源功率一般在500W以上，有些大功率灯甚至超过2000W。大功率的一个直接后果就是发热量大，这对灯具内部电子器件和舞台环境都是一个隐患。由于其发光光谱是连续的，故含有对人体有害的紫外辐射，这对演员的健康也十分不利。最后由其发光原理决定光源将随使用时间的增长逐渐损耗，缩短了灯具的使用寿命。

为了解决以上问题，本系统采用RGB激光作为光源。激光的发光效率相比金属卤化物灯要高出一个量级，这使得灯具的功率大大降低，同时也就降低了发热量。激光的频率集中，不含紫外辐射，不会对人体产生危害。激光光源也不易损耗，亮度衰减慢。

本系统选择半导体激光器作为光源，激光器的功率可根据具体照明需要进行选择，驱动电源部分要求驱动电流可调［6］。同时使用RGB三束激光作为光源，传统电脑灯中使用电机带动颜色盘转动的换色方式就不再适用了。这里通过激光器的驱动电流控制输出功率，改变RGB配比混合出不同颜色的输出光，相比颜色盘固定的有限种颜色，RGB混色的全色光输出更加丰富多彩。

如图4的光学系统将三束不同频率光混合成一束。其中蓝绿光束平行，且与红光垂直。a、b两玻璃片分别置于三束光相交成两直角的角分线上。a玻璃片为下表面镀膜，镀膜材料能透射红光、反射绿光。b玻璃片为上表面镀膜，镀膜材料能透射蓝光、反射红绿光。具体镀膜材料这里不做讨论。经过a玻璃片后红绿光汇成一束，再经b玻璃片反射后与蓝光汇成一束，RGB三色混合成的光束再经过透镜扩散后形成输出光。