浅谈DMX512 LED 水下灯在音乐喷泉中的运用

晏钢强，黄世平，郑杨昆

(重庆新源辉光电科技有限公司，重庆 400040)

1 DMX512 协议

DMX512 协议最先是由USITT(美国剧院技术协会)提出的在控制台用标准数字接口控制调光器的方式。DMX512 超越了模拟系统，但不能完全代替模拟系统。DMX512 的简单性、可靠性以及灵活性使其迅速成为资金允许情况下选择的协议，除了调光器外，一系列不断增长的控制设备就是证据。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。

1.1 DMX512 协议的概述

DMX512 是国际通用的一种高速数据传输的协议，采用RS485 硬件线路，与一般的RS485 通信有所不同。

(1)采用单向通信。DMX512 协议虽然能把不同厂家产品连接起来并实施控制，但由于只能单向传输，控制台与灯具之间无法实现真正的信息交互，灯具只能被动地接收控制台的控制信息，它自身的状态信息不能反馈到控制台。必须提前为每个灯具编写好地址，以便灯具能准确无误地接收控制指令。但由于信息帧结构中没有传输地址，如果某一帧信号因干扰因素等而在传输中出现错误，那么此帧后面的所有信息均将误传，同时信息出错后，灯具不能回馈出错误信息，这是DMX512 LED 水下灯很难排除信号干扰故障的主要原因。

(2)DMX512 通信需要传输一个88 μs 的低电平数据，作为一包数据的起始帧头，接收方有间隙检测电路，需找数据起始帧头，无通信校验。

(3)DMX512 通信的固定波特率为250 kbps，由于通信协议开放，效率可靠性高，在传统舞台行业广泛运用，兼容DMX 512 通信接口已是大功率LED 照明控制系统里默认的选择。

1.2 DMX512 的电气特性

DMX512 采用EIA-485 标准。发送端:逻辑“1”以两线间压差+(2～6)V 表示;逻辑“0”以两线间压差为-(2～6)V 表示。接收端:A 比B 高200 mV 以上即认为是逻辑“1”;A 比B 低200 mV 以上即认为是逻辑“0”。

1.3 DMX512 协议详解

DMX512 传输速率固定为250 kbps，每个数据位的时间是4 μs，每个字节是11 位，就是44 μs。因此512 个字节的数据传输时间为44×512=22.528 ms。

数据的帧头通常是88 μs，数据的帧头随后是一个空闲帧，空闲帧时间长度是8 μs～1 ms，512 字节的数据包之前还有一个字节，表示设备的代号或自定义用途，通常是0，该字节的数据可用自动写码命令之用。

2 DMX512 LED 水下灯生产技术要求包括的主要内容

2.1 适应DMX512 控制结构要求的LED 灯布局和驱动控制电路

DMX512 LED 水下灯内置DMX512 解码芯片与外接DMX512 控制台及电脑的控制方式，可通过DMX512 控制台或者电脑来实现对音乐喷泉DMX512 LED 水下灯的渐变、跳变、色彩闪烁、随机闪烁、渐变交替等动态效果，并且通过DMX512 LED 水下灯地址设置的不同，可以实现其中任意DMX512 LED 水下灯点对点的独立控制。大功率LED 水下灯，一般常有:6 W，12 W，18 W，24 W，36 W，48 W，54 W，64 W，72 W，108 W 等规格。DMX512 LED 水下灯控制系统示意图见图1。

图1 DMX512 LED 水下灯控制系统

2.2 满足DMX512 LED 水下灯要求的特殊密封结构和绝缘强度

由于LED 水下灯应用场合的特殊性，是在水下工作的电器产品，所以也有技术指标的特殊要求。首先LED 水下灯的防护等级必须达到IP68，也包括水下电缆接头。这样才能保证LED 水下灯具长期浸泡在水里而不漏水。其次，LED 水下灯浸在水中后，必须要求电缆线外接电端头与灯具外壳间的绝缘电阻应≧2 MΩ。目的是保证灯具的绝缘强度达到基本的技术要求，杜绝漏电。这样才能保证人员的人身安全及LED灯具的正常运行。

2.3 密封体内的热量传导体系

根据内部发热量的大小设计出不同的内部热传导方式，解决大功率、密集型、高亮度芯片的散热问题，提高每个LED 芯片的光利用效率和散热性能。具体措施是增加导热铝基板，使芯片及驱动产生的热量通过导热系数较高的铝基板传导给灯壳，把80%的热量传到灯体外，延长LED 水下灯的使用寿命。

2.4 适应DMX512 LED 水下灯的供电电源

DMX512 LED 水下灯输入电压分DC 24 V 和AC 220 V两种。

选择电压为DC 24 V 供电的，一般采用性能稳定，质量较好的开关电源供电，优点是安全可靠。缺点是电压低电流大，导致整体线路上的电压降增大，容易造成线路后端的电压降低，导致线路后端灯的亮度降低甚至造成灯光熄灭。在实际运用中，应准确计算线路电流，选择横截面积足够、正规的国标防水电缆，总体上来说，电缆线的成本较高。

选择电压为AC 220 V 直接供电的，虽然省去了降压设备部分成本，线路电流较小，使用的电缆成本也相对降低，但安全性相对较差，且灯的驱动成本较高。

两种方式供电，各有优点，也各有不足。在运用中，从安全和施工成本两方面来综合考虑，设计人员应对现场的实际情况进行分析后，再确定选择哪种输入电压方式。

2.5 DMX512 水下灯的连接方式及编码

(1)DMX512 LED 水下灯信号线的连接方式及写码方式。标准的DMX512 控制是以并联方式连接的(图2)，该种方式每个LED 灯必须设定各自信号的起始地址。有一种安装上看起来像串行安装，其实是并行的。并行安装的走线方式使所有后面的接收端都并联在DMX512 控制器的输出线上，如果不写入地址码，就区分不出不同的接收端，只有区分出不同的接收端才可以实现对DMX512 LED 灯的点对点控制。并行信号的走线方式缺点是写地址较麻烦，灯具安装需对号入座。优点是能精确控制每一盏灯，如果某一解码器出现故障也不会影响其他灯具的使用。

除了并行的传输方式外还有串行的传输方式(图3)。串行的DMX512 解码器上有信号输入和信号输出的接线端口，它是由上一盏灯的输出接入到下一盏灯的输入。串行的信号传输方式不需要人为写入地址码，上电后通过灯具的接线先后顺序，解码器自行分配地址码。该种方式的优点是不需要写入地址码，安装方便。缺点是在大型音乐喷泉的表演中编辑效果受到限制，且其中有一个解码器出现故障，那么这一串后面的所有灯具将无法收到DMX512 控制器的信号。

(2)DMX512 LED 水下灯有自己独立的地址码，按照解码器的不同，设定地址的方式也有一定差异。它的设定通常有两种模式。一种是平时最常见的3线信号线，分别是信号正、信号负、地线。先将灯具地址一个一个写好，然后依次安装。这种写码方式写入速度较慢，安装也较为不便。另一种是平时不常见的5 线信号线，它除了信号正、信号负和地线外，还有2根专门用来写地址的通信线。这种方式可以将灯具全部安装好后再来统一写地址。但这种方式就要求接线百分之百正确，一根线没有连接正确都会导致写码不成功。

图2 DMX512LED 水下灯并联接线图

图3 DMX512LED 水下灯串联接线图

2.6 DMX512 控制LED 水下灯在运行过程中常见的问题及解决方案

2.6.1 变频器干扰问题

变频器是现在音乐喷泉控制部分不可缺少的器件之一，变频器带来的好处的同时也产生了干扰。DMX512 控制系统采用的是RS485 信号，RS485 总线采用差分平衡传输方式，对共模干扰有一定的抑制作用。但是由于变频器应用的工业环境极其复杂，变频器大多用于控制大型电机的高压电力设备且电压电流会有相应的变化，从而导致电磁干扰极其强烈，而通过485 线路进行数据通信时，485 线路通过所有的变频器，从而导致通信线路比较长，而当通信线路经过大型电机等高压电力设备，则会产生电位差，产生共模干扰，当共模干扰超过一定的程度，则会导致485 通信失败。为解决变频器干扰问题，可采取两种方法。

采用屏蔽双绞线。导线外部有导体包裹的导线叫屏蔽线，包裹的导体叫屏蔽层，一般为编织铜网或铜箔(铝)，屏蔽层需要接地，这样外来的干扰信号可被该层导入大地。屏蔽布线系统源于欧洲，利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应防止电磁干扰及电磁辐射，屏蔽系统综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用，因而具有非常好的电磁兼容(EMC)特性。屏蔽层主要避免干扰信号进入内层，同时降低传输信号的损耗。使用屏蔽线传输信号时，各节点的接头应该稳定、可靠、正确且注意防水。同时，在一定的位置添加信号放大器防止信号衰减，在屏蔽线的末端添加与其匹配的终端电阻能更好地起到防干扰作用。DMX512 灯具的生产和安装可以图4 和图5 作为参考。

图4 DMX512LED 水下灯屏蔽系统结构图

采用光纤传输。在电磁干扰严重及传输距离较远时可使用光纤传输DMX 信号。光纤传输以光导纤维为介质进行的数据、信号传输。光导纤维，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。光纤传输一般使用光缆进行，单根光导纤维的数据传输速率能达Gbps(传输速度每秒1 000 兆位1 Gbps=1 024 Mbps)，在不使用中继器的情况下，传输距离能达几十公里。光纤传输DMX 信号具有以下几点优势。

(1)灵敏度高，不受电磁噪声干扰。

(2)体积小、重量轻、寿命长。

(3)绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀，适于特殊环境工作。

(4)几何形状可依环境要求调整，讯号传输容易。

(5)高带宽，通讯量大，衰减小，传输距离远。

(6)讯号串音小，传输质量高。

(7)便于敷设。

在使用光纤作为DMX 信号传输介质时应根据自己的需求来选择多模光纤还是单模光纤，以及一系列的配套设施。

图5 DMX512 控制系统安装示意图

2.6.2 机房的防干扰措施

由于所有控制设备都安装在机房，所以机房是干扰源最为严重的地方。最大程度减小信号在传输过程中的干扰以及衰减的同时也应在机房做防干扰措施。比如:所有配电柜正确接地且接地电阻符合规定值，在变频器上添加电抗器、滤波器，灯具电源使用隔离变压器等一系列措施，做好每个细节，从源头上杜绝干扰。

2.6.3 驱动自身抗干扰能力设计

DMX512 控制系统日趋成熟，投入生产驱动的厂家也越来越多，但某些厂家追求利益最大化，往往在生产过程中选材偷工减料，以次充好。这些都是直接影响驱动自身抗干扰能力的因素，好的产品需经过千锤百炼，不断改善，不断升级才能生产，所以在选材时不能盲目地降低成本。

2.6.4 DMX LED512 水下灯具设计介绍

灯具就是要实现安装固定方便，能有效保护光源器件、与光源配套的电源电路系统以及灯具与外部供电线路连接的线路系统。

(1)水下灯具使用环境恶劣，外壳材质要求高，在设计DMX512 水下灯时，要充分考虑灯具的可靠性、耐候性，使用寿命。

(2)DMX512 水下灯的灯具结构要符合大型喷泉的设计要求，安装固定方便可靠，外形美观大方，实现LED 光源的优势。

(3)光源系统的设计十分重要，能实现不同出光角，三基色混光均匀，不同色温变化，出光效率等。

(4)灯具密封可靠性，要求防护等级达到IP68。

(5)散热结构设计安全可靠，使灯具内的热能有效得到传导，保持灯具在相同单位量里达到更大功率。

2.6.5 线路布局以及施工问题

(1)通讯电缆必须选择差分信号或双绞线，长度不宜超过1 200 m。

(2)布线尽量远离强电，尽量不要和电源线走在一起，更不能绑在一起。

(3)节点间最好采用手拉手的方式，节点到总线的距离尽量要短，不能使用星形连接。

(4)理论上产品最多连接32 个点(有些厂家可以定制128 个点)，超出节点要求需配中继器。

(5)注意电位影响，一般情况下终端需要良好的接地系统，保证两端电压差较小。

(6)当导线过长时，电缆会具有寄生电容效应，可采用在总线外加终端电阻的方式。

3 小 结

现代音乐喷泉已经是一种集声、光、电、水、力为一体的高科技产物。现代科技使喷泉艺术进入了崭新的时代。DMX512 水下灯从技术上现已成熟，完全能够满足音乐喷泉中灯光的各种变化要求，在喷泉行业中正在逐步推广使用，我公司生产的DMX512 LED水下灯在实际运用中，产生的效果非常显著，受到了喷泉行业同仁的关注和称赞。

［1］WH/T 32-2008-2008.DMX512-A 灯光控制数据传输协议［S］.中华人民共和国文化行业标准

［2］黄以华，刘燕林，蔡如海.基于DMX512 协议的LED 灯具控制系统［J］.照明工程学报，2009

［3］方福波，刘有源，陈定方.DMX512 控制协议及其实现［J］.照明工程学报，2002