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近年來(lái)，發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes，LED)由于其全固態(tài)、壽命長(zhǎng)、低電壓驅(qū)動(dòng)、體積小及重量輕等特點(diǎn)，使之在民用及工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。二十世紀(jì)八九十年代，智能樓宇的興起將智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用引到了一個(gè)全新的高度。

調(diào)光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定具有劃時(shí)代的意義，這也引起了眾多商家在效仿DMX512 協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)更加出色的調(diào)光協(xié)議，智能照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研發(fā)領(lǐng)域出現(xiàn)了欣欣向榮、百花爭(zhēng)艷的景象。

DMX512 協(xié)議控制器支持DMX512 協(xié)議接口，可外接DMX512 設(shè)備遠(yuǎn)距離控制。但目前市場(chǎng)上多數(shù)LED 終端控制器生產(chǎn)廠家采用了變異的DMX512 協(xié)議，控制器的接口、協(xié)議五花八門，控制器的功能、質(zhì)量良莠不齊，使得一般的DMX512 協(xié)議控制器無(wú)法兼容多個(gè)不同廠家的LED 燈具。因此，尋求一種多兼容LED 照明控制器顯得至關(guān)重要。

1、照明控制器分析

1.1 DMX512 協(xié)議控制器的組成

多兼容DMX512 協(xié)議控制器主要由兩部分構(gòu)成：一個(gè)是與LED 終端控制器相連的協(xié)議分控制器，另一個(gè)是在控制中心的主控制器。

控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2 所示。

1.2 方案的選擇

方案一：多微處理器芯片

一般微處理器(ARM) 自帶的串口只有1~2 個(gè)，通常不會(huì)超過4 個(gè)。要想實(shí)現(xiàn)多達(dá)16 個(gè)串口，如果只用一片微處理器芯片是不夠的;如果用多片微處理器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)16 個(gè)串口，雖然可以實(shí)現(xiàn)的，但串口之間協(xié)調(diào)性不高;如需同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性不高，而且多片微處理器芯片都需要有各自獨(dú)立的軟件來(lái)控制。因此用這個(gè)方案，可行性不高。

方案二：I/O 口模擬多串口

一片微處理器芯片，如ARM，雖然只有位數(shù)不多的串口，但有些人提出可以用軟件模擬的方法，把一般的I/O 口做成串口，這樣就可以把ARM 變成很多個(gè)串口了。這個(gè)方案看起來(lái)不錯(cuò)，但是經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)模擬出來(lái)的串口穩(wěn)定性不高，而且波特率不能設(shè)置得很高。因此，用軟件模擬的方案也不太可行。

方案三：FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)實(shí)現(xiàn)多串口

上個(gè)世紀(jì)末出現(xiàn)的FPGA經(jīng)過二十多年的發(fā)展，由于其具有用戶可編程的特性，已逐漸被市場(chǎng)所接受。使用PLD (可編程邏輯器件) 來(lái)開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少線路板(PCB)面積，提高系統(tǒng)的可靠性。可以在FPGA 的軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)下設(shè)計(jì)多串口擴(kuò)展，利用FPGA 實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展的另一優(yōu)勢(shì)在于可利用FPGA 芯片剩余的資源空間， 將其他功能模塊整合在一塊FPGA 上，這樣就很好地節(jié)約了成本，這種優(yōu)勢(shì)是其它方案所無(wú)法比擬的。

在研究過程中，擬采用FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)16 個(gè)串口，ARM收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后，經(jīng)分析處理就可以通過FPGA的多個(gè)串口將DMX512 協(xié)議發(fā)送到各個(gè)LED 終端控制器，實(shí)現(xiàn)LED 照明控制。

2、關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究課題采用ARM 和FPGA 實(shí)現(xiàn)DMX512 協(xié)議控制，其中ARM 主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信，人機(jī)交換，F(xiàn)PGA 主要實(shí)現(xiàn)DMX512 協(xié)議。在初期的硬件設(shè)計(jì)中，主控制器和分控制器之間的通信采用的是RS485(智能儀表)通信方式，理由是通信方式簡(jiǎn)單、易開發(fā)、成本低，所以在第一版硬件設(shè)計(jì)中，采用的就是RS485通信。

后來(lái)在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種通信方式的帶寬不夠。假如場(chǎng)景速率按照每秒10 幀來(lái)計(jì)算，一個(gè)分控制器最多可有16 個(gè)DMX512 通道，RS485 通信是串行通信方式;所以每秒要在這個(gè)串行線上傳輸?shù)膸陀?60個(gè)，要想在這一秒內(nèi)傳輸完160 個(gè)幀，每幀占用的時(shí)間大約為6ms，相應(yīng)的傳輸位速率為1us，波特率為1Mbps。而采用RS485 通信方式是達(dá)不到這么快的，所以這種方案失敗了。

在第二版的硬件設(shè)計(jì)中，主控制器和分控制器間的通信換成了速率為10M的以太網(wǎng)通信，采用這種通信方式后，速率的瓶頸得以解決，一個(gè)主控制器可以帶多個(gè)分控制器。

2.2 FPGA 與ARM 的接口設(shè)計(jì)

ARM 是高速處理器，也是串行設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)控制、協(xié)議解析等工作，當(dāng)然也可以產(chǎn)生控制時(shí)序。但DMX512 時(shí)序是一種慢速時(shí)序，用ARM 實(shí)現(xiàn)會(huì)大大的降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為此系統(tǒng)利用FPGA 的并行優(yōu)勢(shì)，用FPGA 來(lái)產(chǎn)生DMX512 控制時(shí)序，再在ARM和FPGA 之間架設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)串行處理器與并行處理器的無(wú)縫連接。

FPGA 與ARM 之間主要用于傳輸DMX512 亮度數(shù)據(jù)，同時(shí)也傳送一些控制命令，狀態(tài)數(shù)據(jù)等，傳送數(shù)據(jù)為8 位。FPGA 連接在ARM 的GPI/O 總線上，如圖3 所示。由于DMX512 設(shè)備為慢速設(shè)備，ARM 為高速處理器，為了提高ARM 的效率，在FPGA 內(nèi)部開辟RAM 空間作為DMX512 亮度數(shù)據(jù)的緩存。一個(gè)DMX512 數(shù)據(jù)包為512 字節(jié)，共有16 路，所以在FPGA內(nèi)部開辟了512*16B 的空間即可。