一种自动批量分配地址的控制系统及照明系统

蓝抱年



一种自动批量分配地址的控制系统及照明系统

蓝抱年

广州市浩洋电子股份有限公司，广东 广州 511400

传统DMX灯具通信网络通常采用拨码等方式手工设置每台灯地址。网络地址实现自动分配一直是个难题。如果使用传统方法对各个灯具逐一设置DMX地址则耗费太多时间，效率太低。设计一种能够快速批量自动设置DMX起始地址的控制系统，提升工作效率。采用独立地址信号线、地址发送模块、地址接收模块、控制单元等，实现自动批量分配地址。经大型工程案例验证，操作便捷稳定性高。

照明系统；RS-485；DMX512；通信地址；自动分配

引言

随着科技的快速发展，可实现智能控制的照明系统是现代生活不可缺少的。通过控制照明系统中各种灯光的颜色、亮度以及投射点的变化，丰富了各类生活场景。

DMX512协议自1986年制定以来，称为照明系统最常采用的标准接口。传统的DMX照明灯信号线为3股，如图1所示，连接在1脚的信号线是接地的，分别连接在2、3端口的信号线DMXA、DMXB用于通信。DMX地址的范围是1～512通道，每一路通道的DMX值的范围是0～255。

照明系统DMX起始地址通常采用逐台拨码或逐台用RDM设置等方式手工对每台照明灯进行设置。但是，采用该传统方法对照明灯逐个设置DMX地址则耗费太多时间，特别是拨码方式设置需要专业人员攀爬至安装好的灯具下逐台进行，效率太低。DMX地址实现自动批量分配是个急需解决的难题[1]。

1 系统原理

1.1 DMX512信号接口

标准DMX512信号接口为3针，如图1所示。连接在1脚的信号线是接地的，分别连接在2、3端口的信号线DMXA、DMXB是用于通信的。J1是信号输入，J2是信号输出，灯与灯之间的DMX信号是并联方式连通。此并联信号连接方式无法实现批量地址自动分配操作，只能通过RDM功能发送指令，对灯具手工逐台分配地址。

1.2 批量自动分配地址原理

实现批量自动分配地址，首要条件是灯与灯之间的信号是串联连接方式。当第1台灯完成写地址操作后，地址数自动加1，指令及地址值通过串联地址线发送到第2台，第2台灯完成写地址操作后，地址数又自动加1，发送到下一台……直到把所有灯具的地址写完。

1.3 方案选择

由上述可知，要实现批量自动分配地址，首要条件是灯与灯之间的信号是串联连接方式。实现灯具信号串联连接有下以两种方案。

1.3.1 方案一：可控开关实现并转串

不改变传统的3针DMX信号线，在灯具内增加可控开关（如继电器）来实现并联和串联转换，并联时实现DMX通信功能，串联时实现地址分配功能。这样实现DMX通信与写地址线共用，优点是信号线能和传统旧灯具的DMX信号线兼容[2-3]。但这种方案有一个很大的缺点：一旦可控开关失控停留在写地址状态，灯具无法回到DMX通信状态，级联的后级灯具将全部失去控制。当成千上万台灯具装在一幢大楼上，其中一台灯具出现此故障，后面的灯全部不亮，将是灭顶之灾，使用吊机高空作业售后维护价格高昂不可估量。

1.3.2 方案二：增加独立地址线

在3针DMX线中增加2针独立线作为写地址，DMX通信与写地址操作可同时进行，互不影响，灯具更稳定可靠。

综合上述论证，选择方案二最优。

2 系统设计

2.1 电源线和信号线电缆设计

选择了上述方案二后，在3针DMX线中增加2针独立线写地址，为让工程安装灯具时布线更方便，走线更整洁，需对电缆线重新设计。现把DMX线、写地址线、电源线三者合一，做成一根整体的电缆线，解决灯具安装施工的多布线难题。三合一的线材结构剖面图如图2所示，图中左边是插头，方便插入到另一台灯中。

图2中的三合一电缆线，与灯具组装时很方便。

图3 电缆与灯具组装图

如图3所示，其中电缆一端开皮，并通过电缆索头固定在灯具上，电缆另一端为母插头，插入到下一台灯具的公插座上。总体上看，电源及信号从灯具的公插座进入，再从电缆的母插头出来，级联到下一台灯具。

图4是该三合一电缆线的接口结构及信号脚定义，其中第1脚AGND是信号屏蔽层，阻隔外界及电源线对信号的干扰，同时作为DMX信号的地线。第2和第3脚是DMX信号线，第4和第5脚是写地址信号线。第L脚是电源火线，第N脚是电源零线，第E脚是电源地线。

图4 电缆线的接口结构及信号脚定义

2.2 原理框架设计

为实现自动分配地址目的，采用以下技术方案予以实现。

图5 原理框图

如图5所示，一种自动批量分配地址的控制系统，包括控制盒、多个控制单元、通信信号线。控制盒、多个控制单元通过通信信号线顺次连接，还包括地址信号线。每个控制单元连接有地址接收模块、地址发送模块。与控制盒相连的控制单元所连接的地址接收模块通过地址信号线与控制盒相连，其他控制单元所连接的地址接收模块依次通过地址信号线与上一个控制单元所连接的地址发送模块相连。

在控制盒设置好起始地址，与控制盒通过通信信号线连接的控制单元为第一控制单元，与第一控制单元通过通信信号线相连的控制单元为第二控制单元。第一控制单元所连接的地址接收模块、地址发送模块分别为第一地址接收模块、第一地址发送模块[4-5]。第二控制单元所连接的地址接收模块、地址发送模块分别为第二地址接收模块、第二地址发送模块，以此类推。具体的自动分配地址过程如下。

（1）控制盒通过地址信号线将起始地址发送到第一地址接收模块，第一地址接收模块将接收到的起始地址发送到第一控制单元，也即第一控制单元被分配到了起始地址。

（2）第一控制单元根据起始地址生成第二地址并发送到第一地址发送模块，第一地址发送模块将接收到的第二地址通过地址信号线发送到第二地址接收模块，第二地址接收模块又将接收到的第二地址发送到第二控制单元，也即第二控制单元被分配到了第二地址。

（3）第二控制单元根据第二地址生成第三地址并发送到第二地址发送模块，第二地址发送模块将接收到的第三地址继续通过地址信号线传输到下一个控制单元所连接的地址接收模块，以此类推。

按照上述的自动分配地址过程，可以实现在控制盒给定初始地址的基础上，各个控制单元依次自动分配地址。在不改变传统的通信信号线的基础上，另外增加2针独立的地址信号线，可以在控制盒和控制单元之间以及不同控制单元之间同时进行通信和自动分配地址。

2.3 地址收发模块接口

图6是改进后的DMX512协议通信接口，其中J1是地址接收模块接口，J2是地址发送模块接口。在本实施例中控制盒与控制单元之间、不同控制单元之间采用DMX512协议进行通信。图6的改进后接口与图1的现有DMX512协议通信接口相比，地址接收模块J1在两个DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一个接地接口的基础上增加了两个地址通信接口（AddrA-I、AddrB-I），地址发送模块J2在两个DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一个接地接口的基础上增加了两个地址通信接口（AddrA-O、AddrB-O）。地址接收模块J1和地址发送模块J2的地址通信接口分别通过地址信号线连接起来进行地址分配。

图6 改进后的DMX512协议通信接口

2.4 地址接收模块

地址接收模块J1原理图如图7所示，地址接收模块包括RS-485收发器U2、光耦U1，控制盒或上一个控制单元所连接的地址发送模块、地址信号线、RS-485收发器U2、光耦U1、控制单元依次连接。

当地址接收模块J1将接收到的初始地址或新地址发送到控制单元时，地址会传输到RS-485收发器U2的输入端，触发RS-485收发器U2的输出端电平信号发生变化，要发送到控制单元的地址信息则记录在电平信号的变化中。根据RS-485收发器U2的电平信号变化，控制光耦U1的亮和不亮，从而向控制单元输入变化的电平信号，也即将地址信息输入到控制单元中。

图7 地址接收模块J1原理图

如图7所示，在具体的实施过程中，所述光耦U1型号可以为EL817S-B，地址通信接口AddrA-I、AddrB-I分别连接RS-485收发器U2的A脚、B脚，RS-485收发器U2的2脚和3脚接地作为使能设置，使得RS-485收发器U2处于接收模式，RS-485收发器U2的R脚连接光耦U1的2脚，光耦U1耦合端的3脚接地，4脚分别连接上拉电阻R3和控制单元。

RS-485收发器U2的A脚、B脚分别接收地址通信接口AddrA-I、AddrB-I传输的电压VA、VB。当VB-VA≥0.2 V时，R脚输出高电平，光耦U1内部不亮，光耦U1的耦合端3脚、4脚互不相通，4脚被电阻R3上拉，控制单元输入高电平；当VB-VA≤﹣0.2 V时，R脚输出低电平，光耦U1内部发亮，光耦U1的耦合端3脚、4脚导通，4脚电平为0，控制单元输入低电平。

DZ1是晶体快速放电管，使用在户外灯上时若遇雷击，就会起到快速放电防雷保护作用。R2是上拉电阻，R6是下拉电阻，共同作用下可以使得由地址信号线输入RS-485收发器U2输入端的电平信号更加稳定。C1是U2的滤波电容，使U2的供电无杂波干扰。R1是限流电阻，给U1内部发光管一个合适的电流。R4和R5作用是阻抗匹配，可以使地址信号线与RS-485收发器U2之间的电阻相匹配，抑制地址信号线信号反射。

2.5 地址发送模块

地址发送模块J2原理图如图8所示，地址发送模块J2包括RS-485收发器U4、光耦U3，控制单元、光耦U3、RS-485收发器U4、地址信号线依次连接。

地址发送模块J2会接收控制单元信息并发送的新地址。新地址记录在变化的电平信号中并传输到光耦U3中，控制光耦U3的亮和不亮，从而将电平信号变化传输到RS-485收发器U4的输入端，触发RS-485收发器U4的输出端电平信号发生变化。RS-485收发器U4输出端的电平信号变化通过地址信号线传输到下一个控制单元所连接的地址接收模块J1。

图8 地址发送模块J2原理图

如图8所示，在具体的实施过程中，所述光耦U3型号可以为EL817S-B，地址通信接口AddrA-O、AddrB-O分别连接RS-485收发器U4的A脚、B脚，RS-485收发器U2的2脚和3脚连接5 V的电源作为使能装置，使得RS-485收发器U2处于发送模式，光耦U3耦合端的4脚连接RS-485收发器U4的D脚，光耦U3的2脚连接控制端，1脚连接上拉电阻R10。A脚、B脚分别向地址通信接口AddrA-O、AddrB-O传输电压VA、VB。

当控制单元发出低电平时，光耦U3内部发亮，耦合端3脚、4脚导通，4脚电平为0，此时RS-485收发器U4的D脚电平为0，A、B脚输出满足﹣6 V≤VB－VA≤﹣2 V的差分信号到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通过地址发送模块J2发送到下一个控制单元所连接的地址接收模块J1；当控制单元发出高电平时，光耦U3内部不亮，耦合端3、4脚不通，4脚被R12上拉为高电平，此时RS-485收发器U4的D脚电平为高电平，A、B脚输出满足6 V≥VB－VA≥2 V的差分信号到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通过地址发送模块J2发送到下一个控制单元所连接的地址接收模块J1。

DZ2是晶体快速放电管，使用在户外灯上时若遇雷击，就会起到快速放电防雷保护作用。R7是上拉电阻，R11是下拉电阻，共同作用使输出到地址线的A、B信号更稳定，不被干扰。C2是U4的滤波电容，使U4的供电无杂波干扰。R12是限流电阻，给U3内部发光管一个合适的电流。R8和R9作用是阻抗匹配，抑制地址信号线信号反射。

3 软件控制设计

3.1 软件控制流程图

在每个灯体内设置有控制单元、地址接收模块J1、地址发送模块J2，某一个灯体内的地址接收模块J1接收由控制盒发出的初始地址或上一个灯体内的地址发送模块J2发出的地址，然后将其传输到本灯体内的控制单元中，该控制单元生成新的地址后，通过本灯体内的地址发送模块J2发送到下一个灯体内的地址接收模块J1，从而将地址依次分配给各个灯体。

分配好地址后，控制盒可以发出各个灯体的颜色、亮度等要求，通过通信信号线依次传递到每一个灯体内的控制单元，控制单元再根据要求控制光源的颜色、亮度。

图9 软件控制流程图

如图9所示，在具体地址分配的过程中，以采用DMX512协议实现通信为例，首先要在控制盒上设置好DMX起始地址（通常默认设置为1）以及每组最大照明灯的数量（同一串联的照明灯里，由于最多只有512通道，因此最多可设置512组，此时每组照明灯数量只有1台，如果只设置1组，则同一组内的照明灯数量最多可达512台），控制盒内所设置好的DMX起始地址和每组最大照明灯的数量通过地址信号线发送到与控制盒相连灯体内的地址接收模块，该灯体内的地址接收模块在接收到DMX起始地址及DMX每组最多照明灯数量的数据后，控制单元对本照明灯的DMX起始地址进行设置，之后判断已设置好DMX起始地址的照明灯数量是否超过组内的最大照明灯数量。如果没有超过，则DMX起始地址保持不变，已设置好DMX起始地址的照明灯数量增加1；如果已经超过，则DMX起始地址增加本组照明灯的通道数，已设置好DMX起始地址的照明灯数量重新置1。最后将DMX起始地址和已分配好DMX起始地址的照明灯数量通过地址发送模块通过地址信号线发送给下一台串联灯体内的地址接收模块，如果没有再继续串联的灯体则DMX起始地址分配完成。

3.2 自动分配地址实例

例如，假设某自动批量分配地址的照明系统串联10台照明灯，并且采用DMX512协议进行通信，分别给1～10的编号，在控制盒中设置DMX起始地址为1，以2台灯为一组，每台灯具的通道数为1，则1号灯和2号灯的DMX起始地址为1，3号灯和4号灯的DMX起始地址为2，5号灯和6号灯的DMX起始地址为3，7号灯和8号灯的DMX起始地址为4，9号灯和10号灯的DMX起始地址为5。如果控制盒设置DMX起始地址为5，以5台灯为一组，每台灯具的通道数为2，则1～5号灯的DMX起始地址为5，6～10号灯的DMX起始地址为7。

4 成功案例

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美狮美高梅配合本方案灯光系统，以崭新科技为宾客重新定义艺术及娱乐体验。每当夜幕降临，本方案灯光系统把美狮美高梅点亮，上演一场梦幻的光影交汇的灯光盛宴，带给人们无上的视觉感受，体验一场美轮美奂、惊艳十足的独具匠心的视觉盛宴。

5 结论

本灯光控制系统为了克服上述现有技术缺陷（不足），提供一种自动批量分配地址的控制系统及照明系统，在不影响各个控制单元之间通信的基础上，可批量快速地为每个控制单元分配地址。

与现有技术相比，本控制系统技术方案的有益效果是如以下。

（1）通过在原有通信信号线的基础上，增加地址信号线，并且每个控制单元设置地址接收模块、地址发送模块，可以同时进行控制盒和控制单元之间、不同控制单元之间的通信和地址分配。

（2）通过在照明系统中设置可自动分配地址的控制系统，可以自动批量地对照明系统中的各个照明灯分配地址，无需工作人员逐个照明灯及进行手工设置地址。

（3）通过对DMX线、写地址线、电源线三者合一技术改造，做成一根整体的电缆线，解决灯具安装施工多布线难题。以工程案例证实，本方案工作稳定，能产生更大的经济效益。

[1]Bob Dobkin，Jim Williams. Analog Circuit Design[M].张徐亮，朱万经，于永斌，译. 北京：人民邮电出版社，2016.

[2]谢咏冰. 舞台灯光工程设计技术研究及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[3]姜海. 建筑电气工程设计分项突破系列动力和照明系统设计[M]. 北京：中国电力出版社，2016.

Automatic Batch Allocation Address Control System and Lighting System

Lan Baonian

Guangzhou Golden Sea Electronics Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511400

Traditional DMX luminaire communication communication networks usually set the address of each lamp manually by dialing and other methods. Automatic assignment of network addresses has always been a problem. If the conventional method is used to set the DMX address for each lamp one by one, it takes too much time and the efficiency is too low. Design a control system that can quickly and automatically set the DMX start address in batches to improve work efficiency. Independent address signal line, address sending module, address receiving module, control unit, etc. are used to achieve automatic batch allocation of addresses. Verified by large-scale engineering cases, the operation is convenient and stable.

lighting system; RS-485; DMX512; communication address; automatic allocation

TP311.52；TN925；TU113.66

A

蓝抱年（1984—），男，电子工程师，主要研究方向为舞台灯具技术研发。