舞台灯光控制器毕业设计.docx
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舞台灯光控制器毕业设计
舞台灯光控制器
摘要
嵌入式系统足A今城热门的概念之一，它诞屮于微型计箅机，楚嵌入到对象系统中，实现嵌入对象智能化的计算机应用系统。
木舞台灯光控制器就足嵌入式系统在也活中的一个小小应用，它采用的嵌入式微控制器为LPC2300系列ARM,并使用了实时操作系统卩C/OS-丨h整个系统分为两部分，主控制器和灯光节点。
控制器和节点之间的通使用丫.1:
流的舞台灯光控制协议DMX512。
控制器设冇良好的人机界而，可完成对各节点灯光色彩的编辑,多种现场效果的存储勾还原,并设冇多个命令，可依据现场气氛的不同制作缤纷的特技效果3节点使用NXP推出的LED驱动芯片PCA9635来驱动4个RGBLED模拟舞台灯光。
关键词：
舞台灯光控制；DMX512协议；嵌入式系统；-/OS-II
1■4
1.1舞台灯光控制技术的发展以及DMX512的产生4
1.2嵌入式系统概述错误！
未定义书签。
2硬件电路设计6
2.1电源部分电路6
2.2TrNYARMT23工控板介绍错误！
未定义书签。
2.3ISP跳线及核心板复位电路6
2.4RS232通信电路7
2.5JTAG接口电路7
2.6LCD驱动电路设计8
2.7LED驱动电路设计8
2.8RS485通信电路10
2.9从机地址选择电路13
2.10状态指示灯及按键电路13
3控制器软件设计14
3.1整体软件分析与设计14
3.2键盘扫描程序分析设计14
3.3人机界面任务错误！
未定义书签。
3.4DMX512数据发送任务设计错误!
未定义书签。
3.5数据更新任务22
4节点软件设计23
4.1DMX512数据包解析程序23
4.2PCA9635控制24
5设计总结28
29
参考文献
错误！
未定义书签。
致谢
附录A电路原理图32
A.1原理图A错误！
未定义书签。
A.2原理图B错误！
未定义书签。
1绪论
本设计丨•:
要研究的足现代嵌入式技术在舞台灯光控制系统中的应用。
A今舞台灯光控制系统人都足基于DMX512通信协议的数字控制系统，那么究竟什么足‘DMX5丨2通信协议？
什么足嵌入式系统？
1.1舞台灯光控制技术的发展以及DMX512的产生
随着电视事业的+断发展壮大和舞台演出市场的日益活跃，以及人们欣赏水平的不断提高，舞台设计越来越受到专业人丄•的*视。
而舞台灯光作为舞台设计的一部分在很大程度上影响沿整个观场的效果，这使得现代舞台灯光系统设计变得越來越复杂，舞台灯光控制技术也应运而张。
问顾舞台灯光控制技术的发展历程，大体可以分为三个阶段：
原始控制技术阶段；模拟控制技术阶段；数字化控制技术阶段。
敁初的原始控制技术时期，舞台灯光的控制相;麻烦。
演出过程中，在舞台四周布满大大小小的各式各样的用手动控制开关，每一盏灯耑要一个开关，并且还要铺设大量的灯线，其工作量足可想而知的。
受控的灯具也只有亮灭两种状态，根本不可能调光，提供的纯粹娃肀纯的照明。
这样的光灯控制系统足很难顾及到舞台的艺术效果的。
随避tl动化技术，电子技术和半导体技术的应用，把可控砝技术应用到細光器中,产生了硅箱,这标志*模拟调光时期的到來。
这种技术是通过模拟调光台（实际上是一个个电位器）输出的（K10V的模拟信号,控制可控硅的导通角來完成灯爲调光功能的，它能够做到每••个灯典冇+冋亮度输出，（K这种技术耑要••个推杆对应一个调光W路，同时也耱要连接•一条信号线。
可以想象一下，如果—台演出需要控制100个调光问路，就要冇一台具有100个电位器推了•的调光台，同时还需要连接100条信号控制线，这样的调光系统的组建和控制都足相$麻烦的事。
这利I模拟调光方式只能适应于一些小型的演出活动。
随猶时间的推移，电视事业不断壮人，舞台演出市场U益活跃，这对舞台灯光控制系统提出也更高的要求。
到丫20世纪80年代数字化技术的疢用和杜及产生//新一代的灯光控制技术，即DMX512数字信y•控制技术。
DMX512数字信号协议于丨986年，首先由美W剧院研究机构（USITT）提出，后來经过进一步的改进，于】990年正式公布。
它利用电脑系统来完成整个灯光的控制，通过-•条信号线就可同时输出多路串行数字信号，可以任意设置推杆与灯具之间的对应关系。
这种技术人人简化了灯光的控制方式，为大规模舞台灯光控制提供/可能。
从此，这种数字控制技术得到了广泛应用。
2硬件电路设计
为简化设计、V/约成木，对控制器电路和W点电路进行丫综合，使得控制器和节点采用的足同样的电路，以下对电路中的各模块进行分析介绍。
2.1电源部分电路
木设计典滞要三组电源输入：
5V的系统电源、3.3V的模拟电源、3.3V的数
字电源。
系统板输入电[1;:
为9V直流，所需系统电旭为5V,II带冇液品这样的人功率器件，若选用教通的线性稳压器件，则电源效率最高仅为55.6%，K发热量可想而知。
故5V系统电Hi不能采用线性稳H;:
器件。
LM2575足一种高效率的开关稳历器件’资料显示当其输入电压为12V,输出电流为1A时，其效率可高达77%，怛开关电源也有开关电源的缺点，其输出纹波较线性稳扭器件人。
弥补这一缺点般好的方法足再在后而加一级线性稳H
核心板TinyARMT23的供电由低H;.差模拟稳版器件SPX1117M3-3.3供给，然效率不高{1!
TinyARMT23的功率小，实际运行过程中SPX1117基木保持室
2.2ISP跳线及核心板复位电路
为使调试过程更加顺利，在底板上添加了ISP跳线选择与核心板鉍位电路，如阌2.1所示。
V003-3ISP选祥V003.3核心板复位
图2.1ISP选择电路与核心板炅位电路
解除芯片的锁死状态。
图中的U2为ESD保护芯片，nj•屏蔽人体静电对核心芯片带來的危害。
由于LPC2300系列芯片D來掉电复位功能，故可省略常用笈位电路中fR4并联的放电二极管。
2.3RS232通信电路
木设计中的RS232电路主要冇两个用途，一是用于ISP下载，二足用于与上位计算机通信，将调光信息反馈给上位机。
RS232通电路如图2.2所示。
阁2.2RS232通信电路
2.4JTAG接口电路
JTAG为一种硬件仿真调试，需要配合ADS1.2狹成开发环境、EasyJTAG-H仿真器、H-JTAG、H-FLASHER—起使用3:
X：
•接口电路如图2.3所示。
阁2.3JTAG接口屯路
2.5LCD驱动电路设计
木设计选用液品的彻y为TG12864E-02B，它采用的内部驱器为ST7920。
ST7920的特点在f•它括64X丨6位元字元显示RAM（DDRAM域多可显示16字元X4行）及64X256位元绘图显示RAM（GDRAM），可实现图形、文字的混合显示。
液晶驱动电路如错误！
未找到引用源。
所示。
图中三极矜8050用于控制液晶的背光。
2.6LED驱动电路设计2.6.1LED驱动器PCA9635
PCA9635足NXP公司生产的一款丨2C总线LED驱动器，共冇16路输出，输出电流可达到5mA，吸入电流可达到25mA,⑷直接驱动LED。
适应于作为RGBLED或RGBALED的调色驱动。
萁特性如下：
（1）16路LED输出，每_路输出均nf配®为：
开，关，独立亮度控制，
独立亮度+整体闪烁/明暗控制；
（2）输出可编程为推挽或开鉍结构；
（3）1MHz快速I2C总线，且SDA输出电流nj高达30niA;
（4）256级独立亮度控制（97KHzPWM）;
（5）256级集体亮度控制（〗90HzPWM）;
（6）256级集体闪烁控制，闪烁频率可在24Hz到10.73S之间调节；
（7）7个地址引脚使得在同一个I2C总线上可连接126个PCA9635;
（8）内部0带25MHz晶振，无需外部元件；
（9）可通过丨2C总线对PCA9635软复位：
（10）上电复位；
（11）SDA/SCL输入噪声过滤；
（12）工作电压范围:
2.3V到5.5V;
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la-^-HlpM苣踣s蓉裕m-A矣SLED#烽洛拎。
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1002V,
羽2.6LEDJ1系漥a-li蔡V.HSbLEDsss2.7^S00R88crwfsJIR56so
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¥飽涪>-[5-莽^均§滟斜，%.PCA9635§s§
墓2.5洚邻。
（13）：
门衰郎®:
-40r?
1T850:
2.6.2PCA9635l!
aB^[ffl-s§
PCA9635芻赳面荖苕座2.4s咮。
PCA9635
yJ
SIgg|.oo3S§SSGSSSSfS5SG
t5SuS=o2S58S2SS28
j^JssXJXrs*yj
ss
■cfnH
si«
U
为使蓝色LED点亮，三极管8550的射极电压Uc应在2.9V以上，假设Uc
为2.9V,则流过R88的电流：
（2-1）
/?
88
若取Ie为4mA,则R88需小于100Q。
从8550的资料中可以查得其工作在放人区时放大倍数13约为100，则可得出三极膂越极电流
L=—=0.04niA（2-2）
P
则R56的取值
R56=29~01^=5.5x104£2（2-3）
0.04x10'
经实践验证，R88取100Q，R56取47KQ时，蓝灯可得到较好的效果。
同样的过程，可得到红、绿灯的基极1发射极电阻的取值。
2.7RS485通信电路
DMX512协议中规定:
H:
通信接口采EIA-485标准。
2.7.1RS-232、RS-422、RS485协议简介
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初郤足由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E,作为丨业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容3RS-422由RS-232发展而来，它足为弥补RS-232之不足而提出的。
为改进RS-232通f；[距离短、速率低的缺点，RS-422定义丫一种平衡通倍接口，将传输速率提高到丨OMb/s，传输距离延长到4000萸尺（速率低于lOOkb/s时），并允许在一条平衡总线h连接最多10个接收器aRS-422楚一种中.机发送、多机接收的中.向、平衡传输规范，被命名为TIA/E丨A-422-A标准。
为扩展应用范FR,EIA乂于丨983年在RS-422越础上制定/RS-485标准，增加了多点、双丨通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加/发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展/总线共模范吼后命名为T丨A/EIA-485-A标准。
由于EIA提出的建议标准都足以“RS”作为前缀，所以在通讯:
丨:
业领域，仍然惯将上述标准以RS作前缀称谓。
RS-232、RS-4221jRS-485标准U对接口的电％特性做出规纪，而不涉及接插件、电缆或协议，在此褪础上用户可以逑立D己的高W通信协议=I£IA~485通
信标准的性能如所示
2.7.2RS-485电路分析
RS-485接口电路如阁2.8所示o
图2.8RS485接口电路
图2.8中U9为ESD保护二极管，能有效保护SP485R芯片,R101为通信阻抗匹配电阻，减少由于阻抗不卩卩配而引起的反射、噪声，能打效提高RS-485通信的可靠性。
图2.8中SIN为SP485R通偯接口方向控制线，”'1SIN为高电平时，SP485R配S为输出，为低电平时，SP485R配置为输入^为解决上电时RS-485总线冲突问题，需添加上电抑制电路，如图2.9所示。
上电时SIN输出低电平，SP485R配S为输入。
由EWB仿真可得到抑制时间t约为2So
图2.9SP485上电抑制电路
保护控制芯片，在SP485RU核心板之间加入丫隔离电路，如错误！
未找到引用
C28i~
10iir
源。
所示。
丁1
8丁
1RXD22
VGAVIA
vibvoe
7RRXO1
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flrrxD=i
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丄
丄
'丁DGKD
vibvoe
GNOIGN02
AOUM1201
图中使用到的ADUM1201为ADI公uj推出的一款磁隔离芯片，它采用的iccmp丨er技术足基于芯片尺、j的变压器。
ADUM1201所隔离的两端W各tl的电源和参考地，电源电H（为2.7—5.5V。
相对于普通的光隔离，ADUM120丨具冇如下特点：
（1）速度史高：
鉍高速率可以达到25mbps;
功耗低于同数据传输率时传统光电隔离器的1/10，鉍小工
（2）功耗更低：
作电流为0.8mA；
（3）
时序精度，瞬态W模抑制力，通道间卩I；配程度均优于传统
能更高：
光电隔离器；
（4）
集成度史高，印制电路板（pcb）面积为传统光电隔离器
体积更小：
的40%;
（5）价格吏低：
每通道成木为传统光电隔离器的40%：
（6）应用更灵活:
勾传统光电耦合器不同的是，多通道icoup丨er数字隔腐器能在同一芯片内提供正丨4和反向通信通道。
RS-485通信电源电路如图2.10所示。
采用的延致远电子推出一款高精度DC-DC电源模块。
♦5VU7
xj_n:
GN0
ZY0505BLS-1WV
图2.10RS-485III源屯路
冈从机无需接液品，所以将从机地址选择线h液品部分信号线复用。
各地址线均己连接上拉屯阻<>从机地址设a范_0X00〜OxlFF，电路如图2.丨丨所示，SI为拔码开关。
I
0SS
彐TI.
2.9状态指示灯及按键电路
木设计兆设置了4个状态指示灯和6个按键。
电路如所示。
状态指示灯/按键
K2
■o
K3
S*0f>^r-^IED_STQP08戶
R76
LED_SETUP
-d>-
¥
图2.12状态指尔灯及按键电路
3控制器软件设计
3.1整体软件分析与设计
整个系统分为:
丨:
控制器和节点两部分。
由设计要求分析n了知，丨:
控制器fT要完成人机交流与DMX512数据的发送，节点需要完成DMX512数据的接收~舞台灯光的控制，控制器和节点所要完成的每一个任务都对实时性提出了很高的要求3DMX512的协议规定，完整的DMX512数据包包含一个中断标识位，一个中断后标识位，一个起始数据和5丨2个调光数椐，乳数椐发送的波特率为250Kbps,计算可得.幣个数据包的发送时间长达0.025钞。
对于生控制器來说，
若在系统设计时使用前后台系统，那么控制器的人机交流将难以得到及时的响应，为此主控制操作系统宜采用实时操作系统。
对于节点來说，DMX5丨2数据的接收任务可放在UART中断中处理，不会影响到控制的实时性，这样节点即可釆用前后台系统也nT釆用实时操作系统。
MC/OS-II个源码公开、"J•移植，可阀化、iij戗剪、A先式的实时多任务操作系统，且在高校教学使用是不擗要申请许可证的。
因此’主控制器的实时操作系统选用HCVOS-II
3.1.1控制器软件设计系统框图
分析设计要求，控制器丼需要完成两件琪怡：
人机交流；数据发送。
人机交流又可以划分为三个任务：
键盘扫描：
人机界而；数据更新。
综上所述，控制器共设计叫个仟务，其系统框图如图3.1所示a
MC/OS-II
键盘
人机
m
界曲
史新
发送
图3.1控制器系统框图
3.2键盘扫描程序分析设计
常用的键值采集方案冇两种：
中断服务；软件査询。
LPC2300系列ARM的P0和P2端口的每-•个引脚都可以配置为上升沿中断或者下降沿中断。
P0和P2端口的中断通道与外部中断3（EINT3）相同4
在硬件设计中，按键0〜6分别与P0.9〜P0J7相连，因此，只需将P0.9〜P0.17引脚配置为下降沿中断，在中断的服务程序中即可完成按键的采集仟务。
（H由于在硬件设计时，按键没冇添加去抖电容，按键去抖的任务就需要由软件來完成，中断服务程序中应添加一个大约丨o毫秒的沿时程序。
规定在中断服务程序中，不能使用系统延时函数OSTimeDlyO，这样就带來了大景系统资源的浪费9一旦冇按键按下，系统中的乳它任务都会停下來，包括数据发送任务。
这样的情况对于保证DMX512数据的完整性足非常不利的。
所以按键的采集不能采用中断的方式。
3.2.2软件查询
按键的软件查询程序流程阁如阁3.2示。
图3.2键盘扫描流程图
在pC/os-n操作系统中只能使用间隔查询方式，竹则比查询仟务优先级低的任务将得不到运行的机会，从程序中可以看到，每次查询都会间隔一个OSTimeDly（3）,即悔隔15mS查询一次，M然查询键值浪费丫一定的系统资源，tl丨.对于运行在48MHz系统时钟下具冇三级流水线的32位处埋器來说，这样的查询过程足微不足道的。
从AXD中可以肴到到幣个查询过程只用/5条汇编指令,
在得到键值后，调用OSMboXPost（）函数，将键值以消息邮箱的形式发送给人机界面任务，待人机界面任务做进一步的处理。
然后再次调用系统延时函数OSTimeDly（40）延时0.2秒，作为两次按键的锒小间隔时间。
3.2.3调光功能的实现
受液品尺十限制，调光功能菜肀被分为两级，第一•级完成节点node和灯号nightnum的选择，第.级完成对应灯‘4Red、Green、Blue」路数彳W的修改。
在这里设S了三个承要变#t:
changedsig、changedadr、changeddata。
（7）changedsig：
数据改变标致：
（8）changedadr：
改变数据的地址，即令局DMX512数据的下标；
（9）changeddala：
改变后的新数据。
为了简化设计，将对这三个数据的修改程序R接融入到了液晶界面中，对调
光数据的修改总足会伴随着界面的变化的，所以这样的融入相对來说比较衍事。
当有调光数据的修改时，changedsig标致置1，并将对应的修改值付给
changcddata,changedadr的值由」个因素决紀：
节点4node；灯兮nightnum：
页内标致pagc5sig。
具体计算方法如程序淸中.3.1
程序淸舉3.1
Xrate-H-;/*修改红色数据
changedsig-丨：
/•S数掘改变标致
changeddawMXraic-丨>«4:
/*更新数据
静、、•
i=GciNodcAdr（nodc）:
f*获取节点地址设S
changcdadr=i+ADRMAP[nighlnum-1]fpagc5sig»1]：
l*计符修改地址
•/
•K•中Xrate为调光数据，取值范丨韦]1〜丨&X可代表R、G、B,函数GetNodeAdr根据节点Vnode从TinyARMT23自|带的EEPROM中读地址设置倍息，返丨叫值为对应的从机地址。
数组ADRMAP足根椐从机的硬件连接方式而预设的地址偏
移
液品界而更新完成后，依据changed系列变傾:
的值，即可究成对DMX_512数据的修改。
对调光数据的修改足实时显示的，调光效果及时的反馈给用户，方便用户做进一步的修正。
3.2.4效果选择功能的实现
木设计中涉及到两类灯光效果。
一类效果控制器丼不对调光数据做修改，只发出命令字，而由节点接收到命令字后做出相应的变换。
效果编号丨〜5都足这种类型。
而另一种效果足由控制器]贫接对光路数据进行修改，节点不接收命令，不做变换，只刷新光路数据。
效果编号6就属于这种类型。
在做出A•体的效果变换之前,需要先完成效果编分vision.效果速度visionspeed的设置3效果的变化不足实时的，A按卜确认键后，效果才会®新。
效果编Wvision的取值范刚为0〜6。
0代农无效果，1和2为两种样式不冋的闪烁效果，3为渐明效果，4为渐暗效果，5为魔术色效果，6为随机数效果。
程序淸中3.2为在效果做出变换时，对changedsig、changeddata、chagedadr做出的相应设置。
程序消碓3.2
changcdadr=0x8000:
/*将changcdadr城高位置1怍为效果
iflfvision=6）{
OSScmPost（ScmRand）:
/*随机数效果开关*/
changedsig=4;/*四个节点均流修改命令字*/
changcddatavision|（（（visionspccd«1）-1）«3）;
效果6，随机数效果足完全由控制器来究成的，控制器产生随机数，并修改相应的DMX_5丨2数据。
程序中用信梁SemRand作为开关;》。
第一次选择效果6为开，第:
次选择效果6为关。
3.2.5现场功能的实现及其方案分析
现场功能的实现依赖于现场数据的存储，木设计所使用的TinyARMT23核
心芯片为LPC2366，核心板上配冇FM24C02（EEPROM）,数ffi的存储冇两种方
（10）使用LPC2300系列的IAP（在应用编程）功能，将现场数据存免LPC2366的Flash中；
（11）使用FM24C02。
ft先分祈第一种方案，LPC2366丼冇256KB的Flash存储交间，被划分为14个扇区，乳分区情况如表3.1所示。
表3.1LPC2366扇区分布情况
扇医号
扇区规格（KB）
地址范围
0
4
0x00000000-0x00000FFF
1
4
0x00001000-0x00001FFF
2
4
0x00002000-0x00002FFF
3
4
0x00003000-0x00003FFF
4
4
0x00004000-0x00004FFF
5
4
0x00005000-0x00005FFF
6
4
0x00006000-0x00006FFF
7
4
0x00007000-0x00007FFF
8
32
0x00008000-0x0000FFFF
9
32
0x000丨0000-0x000丨7FFF
10
32
0x00018000-0x0001FFFF
11
32
0x00020000-0x00027FFF
12
32
0x00028000-0x0002FFFF
13
32
0x00030000-0x00037FFF
14
32
0x00038000-0x0003FFFF
因为在利用IAPN片内Flash存储器W入数据时，需要先对数据进行擦写，因此数据区和代码区不能重合，帝则有可能造成系统崩溃。
倘若用户程序代码加上操作系统代码在64KB以内（木系统代码小会超过64K），那么可以使用的Flash空间高达192KB，如果现场数据完全存储（512字节），那么可存储的现场数多达384个。
fli是，Flas
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