DMX512夜景照明控制系统的长距离应用及常见问题探讨

周 喆

(北京清创光环境设计院有限公司，北京100061)

随着中国经济的发展，各地的城市化建设进程不断加速，景观照明的重要性也越来越高，在城市建设中占比不断增加。LED照明技术凭借其体积小、精致、低功耗、高寿命等特点，在城市景观照明和功能照明等一系列领域应用广泛，创造了适宜的室外光环境。通过设计师在照明空间的设计及色彩的搭配混合，可以营造良好的照明效果，体现LED照明的优势。基于DMX512协议的LED灯具调光系统，成本低、通信距离较远、控制简单，能大幅提高夜景照明的稳定性、可靠性和经济性。

1 DMX512协议的LED灯具应用

1.1 LED灯具在夜景照明中的应用

LED灯具在展示照明效果艺术化时，相比传统灯具更具优势。设计时选用合适的LED光源能表现出最佳的景观照明艺术效果。LED光源本身体积小，为灯具外形、外立面设计提供了更大的发挥空间，比如，想展现不同的形状时可以分散布置各种不同体积的光源，也可以同时利用景观中空间、结构等特点来进行设计，还可利用景观照明中的配景、漏景、藏景设计手法来设计。

1.2 LED灯具的各种调光方式对比

为满足人们对景观照明的需求，也为节能环保，达到功能照明的均衡光照目的，LED调光智能化自动化的控制系统越来越常见。常见的调光方式有5种。

1) 0～10 V信号调光。模拟控制系统一般需要中继器，控制灯具数量有限，效果好但单调，不同种类灯具效果难以控制，受回路长度影响大。

2)前沿切相调光，又叫可控硅调光。延迟切相使输出电压的有效值部分减少，降低电路负载(电阻类)功率。其原理是通过调节传导角使正弦波形发生变化，即前沿传导时间延迟，到0点自动关闭。虽然成本低，但不能完全关断电流，调光有噪音。调光对电网有影响，见图1。

图1 前沿切相调光示意图

3)后沿切相调光，又叫MOS管调光。交流电波形周期内当半波电压达到MOS管的导通角时，提前关断，到了0点再自动导通。调光时有源开关会立即关闭，减少对灯丝的热冲击，对电网友好。MOS管对冲击电流耐受性差，成本高，只适用于小功率灯具。原理如图2所示。

图2 后沿切相调光示意图

4) DALI 调光，一种典型的数字控制系统。场景数据可储存于灯具，也可以实现PWM调光。有寻址能力，既可以发出指令也能反馈指令，抗干扰能力强。数据传输速率低，控制通道少，驱动成本高，可以实现慢速的低码率色彩变化。

5)DMX512调光，一种成熟数字控制系统，唯一可实现快速连续变化的调光方式。场景数据储存于控制器，也可以实现PWM调光。数据传输速率高，控制通道多，使用拓展卡，通道数量增加至1 024或4 096个。

2 DMX512照明控制系统

2.1 DMX512数字协议

DMX是“Digital Multiplex”的缩写，是“多渠道数字传输”的意思。DMX512控制协议是由美国舞台照明协会制定的用于照明控制器和照明设备数据传输的行业标准，即USITT DMX512(1990)，包括电气特性、数据协议和数据格式。

DMX512作为数字类调光协议，采用多点总线结构，信息阻塞这类问题不会出现，整体十分可靠。设备的设计基于一个RS-485总线系统，该系统通过一对双绞线电缆在不同的控制器之间提供硬连接。

中国在2008年发布并实施了DMX512-A灯光控制数据传输协议，对主控制器的数据格式和控制信息的物理层制定了严格的规则，给各种照明变化控制系统提供了统一和标准的接口。与美国2004年的协议相同，目前修订后的DMX512 -A标准比较完善，与所有符合DMX512协议的照明设备兼容，还可双向通信，及时报告设备讯息。

2.2 DMX512系统解析

硬件上的系统是指DMX主控、分控器连接到解码器的系统，解码器连接到LED灯或直接连接内含DMX解码器的LED灯。当然，也有可能用其他符合协议的控制设备来代替LED灯。

DMX512控制器分为DMX主控器和DMX分控器。主控器包括可编程、可任意联机其他编辑效果的DMX512控制器，这种主控的功能强大，可以通过编辑软件来设置灯光控制效果。

DMX512协议中，数据包每个部分的时序规则非常严格，协议指定的数据传输速率为250 kB/s，数据传输以异步串行格式进行。DMX512内的字段是顺序传输，从0字段开始，到最后512结束。开始后有效的DMX512字段数据应在0～255之间。

控制器发送一个数据包最多可包含512帧数据。每个数据帧是一个DMX控制帧，称为控制通道，控制多个照明功能或设备功能。

DMX指令帧每个都由1个低电平起始位、8个数据位和2个高电平结束位组成，加起来是11位。

DMX512控制系统内，一个完全的信息包包括空闲位(MTBP)、中断位(Break)、间隔位(MAB)、开始代码帧(SC或者第0帧)、512数据包(512个DMX指令帧)。

对于每个控制器发送的每个信息包，可以一次完成对512个被控制通道的完整控制。信息包的发送时间约为23 ms，每秒将在512个受控通道上进行44次控制，即受控照明电路的频率为44 Hz。如果现场受控的控制通道不到512个，那么受控照明电路刷新频率将提高。

2.3 DMX512系统分类

基于DMX512协议的LED灯具控制系统包括标准DMX512并行总线差分系统、非标准DMX512串行总线系统、非标准DMX512的并行TTL系统、非标准DMX512的并行总线非差分系统、拓展型DMX512并行TTL系统、拓展型DMX512并行总线系统以及无线DMX512系统。

其中，并行TTL系统、串行总线系统及基于此的两种拓展型较为常见。

3 DMX512控制系统施工的注意事项

1)控制系统在施工时，为及时检查系统故障，现场人员应配备DMX512信号检测器，保证DMX512控制系统的正常运行。

2)一定要特别注意，如果要及时纠正有误的信号连线，需要详细了解设备的技术要求，尤其是信号的相位要求，特别是对于5转3的这类转接头。

3)确认走线排线，确认控制器和灯具电压、控制设备数量。一般有D+、D-及GND3个端口，注意接地，正确接线。调试时写控制程序，用150 m网线测试。布线后宜进行电冲击、老化测试。

4)要牢记在每条控制回路的信号线最末端加接终端电阻，便于形成该系统的回路“闭环”。

5)在敷设DMX512信号线缆时，为减少对控制信号的干扰，控制电源和控制器的低压电应尽量避免信号线同电源线的近距离平行敷设。

4 系统控制、测试的常见问题

4.1 DMX接口输入和输出

该类数字化照明设备各有一个DMX输入、输出接口。DMX512控制协议允许不同照明设备(要满足协议要求)混合连接，并可直接将一台灯具的DMX输出口直接接到另一台灯具的输入口。然而，在这种链路结构中，DMX控制信号看起来是串联的，实际上是并联的。因为标准DMX控制信号是“两路”引入照明设备，在电压比较、放大和整形后，第一路对控制脉冲进行解码，然后通过驱动电路一步一步控制电机，在缓冲和隔离后，另一路直接输送到下一个照明设备。此外，DMX512信号的抗干扰能力可通过运放电路的共模抑制能力得到显著提高，DMX512传输信号因此使用平衡传输。

4.2 地址码的应用

灯光设备控制通道的起始序号叫做地址码。地址码有十进制和二进制两类，不能混用。

当DMX512控制系统发出的信号通道号(帧序号)与系统中灯具的地址码重合时，灯具(假设名字为a)开始由DMX512系统进行控制，并对其信号产生操作，进行解码和控制。此时，处于同1条控制回路内的其他灯具(假设名字b)对这个灯具a的专控信号不会反应，直到DMX512文件的控制信号切换到灯具b分配的地址码，灯具a不产生控制动作，同时灯具b的地址码发挥作用，在系统的控制之下。

同型号的灯具可以考虑共用一套地址码，编辑比较快。若需要效果不同时，同类灯的地址码也应不同。地址码由数字编码器自动分配，老式灯具上需要手动开关分配。

4.3 线路抗干扰

1)控制回路选双绞线作为信号线，可以避免大部分外部电磁场的干扰。当然，在信号传输过程中，信号线的传输距离越远，由外部电磁场引起线缆的感应电压值越大，此时，感应电压产生的电流叠加在信号电源上，导致信号失真。

2)控制回路最后选择的终端输入阻抗值宜匹配整条线路阻抗。平时的双绞线规格选择都在100Q、200Q之间，毕竟绞距越大阻抗也越大，信号传输越差。在选择信号线的截面时，一般选用铜芯，截面积0.33 mm2。有时根据机械强度要求，可以用截面0.75 mm2的铜线缆。理论上，DMX512信号传输线长度在1 000 m，与RS485线路相同，但在实际工程中，经常出现非标DMX512的线路连接，一般来说，1 000 m长度是无法达到的，必须加一个或者多个信号放大器。部分厂家把系统回路长度限制在300 m内。

3)地线的信号干扰。一种解决方案是使用单点接地系统，完全消除该系统的公共阻抗;另一种方法是降低整个地线公共部分的阻抗，用单点接地法。

4)DMX512信号线属于弱电系统，一般需要屏蔽保护。不能用电源线替代信号线。

5 长距离工程实例

1)图3是某个公共公园的整体景观项目联动控制系统图，展示出控制器及其关联的8条主回路。其全部LED灯具都使用了标准DMX512照明控制系统，使用的灯具数量多、种类复杂。此项目沿减河河流两岸步行道设计，全长10.9 km，宽度约50 m，计算容量594 kW，配电箱有43台。

图3 联动控制原理图

2)主控器与分控器间使用了单模4芯光缆连接，光缆末端配置了光电收发器，可以转换光、电信号。分控器与LED灯具间用超五类网线连接。主控器1台、分控器65台，配防水箱。全部线缆统配PE20电缆管，埋地敷设，沿网线配有相应数量的信号放大器。

3)DMX512系统和配电箱内智能模块一同接入主控箱的千兆交换机，接受整体控制，可通过无线系统远程控制。全系统稳定且可以分段测试，逐步完工。

4)系统内有JHGL01～08共8条主回路，沿河南岸东西走向敷设，由中心向两边扩散。主控箱设置在海棠坞景区，由东向西JHGL01～03这3条回路分别穿过梅影坡、木亭等5个景区，由西向东JHGL04～07这4条回路穿过桃花源、流金屿等10个景区，每个景区各设2～3台分控器，每台分控器有7～8个支路来控制灯具。

5)得益于DMX512系统的高兼容性、高可靠性，进行了大量不同厂家、不同规格灯具的长距离控制，实现了全公园节能同亮，达到明亮清晰、错落有致、延绵不绝的夜景效果。

6 结论

分析以DMX512协议为基础的夜景照明控制系统，该系统在抗外部干扰、长距离传输信号方面性能较好，网络结构清晰，实现起来简单，兼容性强，不仅不需要特殊的专业硬件支持，还能匹配不同传输能力的照明设备。该照明控制系统灵活稳定，通过对控制器进行IP配置，可以实现系统的扩展(通道数量拓展)，功能强大。同时进一步说明了系统设计和施工建设中可能遇到的共性问题,也提供了照明调光的参考依据，探讨其在景观照明中的应用，提升了景观照明的质量。