舞臺燈光DMX512控制協(xié)議詳解

　　DMX512協(xié)議最先是由USITT(美國劇院技術(shù)協(xié)會(huì ))發(fā)展成為從控制臺用標準數字接口控制調光器的方式。DMX512超越了模擬系統，但不能完全代替模擬系統。DMX512的簡(jiǎn)單性、可靠性(假如能夠正確安裝和使用的話(huà)!)以及靈活性使其迅速成為資金允許情況下選擇的協(xié)議，除了調光器外，一系列不斷增長(cháng)的控制設備就是證據。DMX512仍然是科學(xué)上的一個(gè)新領(lǐng)域，具有在規則基礎上產(chǎn)生的各種奇妙技術(shù)。

　　EIA485(RS485)

　　DMX512是圍繞工業(yè)標準EIA485接口設計的。EIA485屬于接口、電壓、電流等的“電”端。

　　系統是基于沿著(zhù)屏蔽導體雙絞線(xiàn)的向下對稱(chēng)發(fā)送而建立的。這種纏繞結構確保所產(chǎn)生的干擾會(huì )同樣地作用于兩個(gè)信號，因此保證了一致的數字定相。所用的導線(xiàn)應該是由一條或兩條雙絞線(xiàn)、箔片和編織篩所構成的合適的數據導線(xiàn)。對稱(chēng)音頻導線(xiàn)則不能完成這個(gè)工作。

　　通常地，就如任何網(wǎng)段一樣，導線(xiàn)兩頭應該有兩個(gè)終端。燈光控制臺通常在一頭作為終端，而另一頭應該只有一個(gè)120Ω的電阻。

　　EIA485規范只支持“雛菊鏈”或每段上最多以32個(gè)“單元負載”所構成的串行網(wǎng)絡(luò )。制造商聲稱(chēng)每段可以長(cháng)達1000m。但是，要特別指出的是，中繼器的作用應該考慮到700m或800m左右，這樣可以防止環(huán)境的異常。

　　XLR連接器的針口分配(表1)

　　針線(xiàn) 　信號

　　1屏蔽 地/0伏

　　2內部導體(黒) 數據–

　　3內部導體(白) 數據+

　　4內部導體(綠) 備用數據-

　　5內部導體(紅) 備用數據+

　　DMX512控制線(xiàn)采用5針XLR(有時(shí)候是3針)連接設備(如表1);母接口適用于發(fā)送器，而公接口適用于接收器。

　　規范中建議用一條兩對導線(xiàn)(4個(gè)連接口)來(lái)實(shí)現屏蔽，雖然只是需要其中一對。第二對導線(xiàn)用于未指定的可選場(chǎng)合中。

　　必須注意的是一些調光器使用這些線(xiàn)來(lái)指示故障和狀態(tài)信息。如果調光器用第二個(gè)信道，則需要專(zhuān)門(mén)配置的分路器和中繼器。

　　把線(xiàn)連接到邏輯電平最安全的方法是使用一個(gè)“標準”接口IC—TexasInstruments的SN75176B，如果要實(shí)現連接以及隔離，Burr-Brown的ISO485P是好的選擇。使用這些接口方法為每個(gè)設備提供一個(gè)額定的單元負載，這些設備都允許在段上最多安裝32個(gè)接收器。

　　不推薦通過(guò)直接橫跨線(xiàn)路來(lái)連接高靈敏度光隔離器的直接聯(lián)機接口方式，它所提供的負載會(huì )比正常接收器的負載大5倍左右，從而減少了在段上可安裝的接收器數目。另外還會(huì )引起失真，增大出錯率并導致符合EIA485的接收器出現故障，這些都是壞消息!

　　資料

　　資料發(fā)送基于一種8位異步串行協(xié)議，帶一個(gè)開(kāi)始位(低電平)和兩個(gè)停止位(高電平)，沒(méi)有奇偶校驗。因此一個(gè)資料幀有11位元。由于每一位的寬度是4祍，所以發(fā)送一個(gè)幀需要44祍的時(shí)間。如果線(xiàn)路要發(fā)送一個(gè)連續的數據流，則會(huì )產(chǎn)生250000b/s的資料率，或稱(chēng)250k波特。

　　8位字對于每個(gè)調光器允許以0到255的范圍來(lái)發(fā)送256個(gè)獨立級別。

　　開(kāi)始位和停止位用于使發(fā)送器和接收器同步。資料線(xiàn)通常處于高電平;實(shí)際上它空閑時(shí)會(huì )處于高電平狀態(tài)(更多的是處于這種狀態(tài))。開(kāi)始位的出現促使接收器投入工作，后面的8位元資料被掃描且被譯碼(希望如此)。然后接收器等待停止位到來(lái)，停止位過(guò)后會(huì )再次出現這個(gè)過(guò)程。我們需要停止位有兩個(gè)理由：讓接收器有充分的時(shí)間處理輸入的資料;讓線(xiàn)路處于高電平的狀態(tài)，這樣下一個(gè)“開(kāi)始”才能被檢測到。圖1描述了一個(gè)幀里面的位電平，這個(gè)幀中含有資料“0”和“255”。

　　迄今為止已經(jīng)解釋得很清楚了，但是還沒(méi)有完，DMX512最多可支持512個(gè)調光器，現在我們只看到了第1個(gè)，那么怎樣為所有的調光器處理資料呢?答案是簡(jiǎn)單的，只是不斷重復這個(gè)過(guò)程!

　　好的，就是那么簡(jiǎn)單。不過(guò)現在的情況可不是那么簡(jiǎn)單了，我們在段上取得了一個(gè)數據流，但是沒(méi)有辦法辨別哪一幀是屬于哪一個(gè)調光器的?？?ldquo;DMX包”部分的提示。

　　DMX512“包”

　　DMX512包是這個(gè)標準的核心，它由一個(gè)包含深層同步信息的幀集合構成，其中的深層信息也就是一個(gè)“Break”和一個(gè)“Mark-after-break”。就是這個(gè)信息使接收器能夠檢測到一個(gè)幀的開(kāi)始，因此能夠處理接收到的資料。

　　幀定時(shí)檢驗顯示了線(xiàn)路處于低電平的最長(cháng)時(shí)間是4祍(開(kāi)始位)+8×4祍(資料位)=36祍，但是一個(gè)“Break”包含至少88祍的“低電平”，這兩者的不同很容易被檢測到，可用于調光器的同步。

　　“Mark-after-break”在線(xiàn)路上是“高”狀態(tài)，至少8祍時(shí)間的寬度，“Mark-after-break”是必需的，因為這樣才能檢測到“Break”，否則幀的開(kāi)始位會(huì )緊隨“Break”，使線(xiàn)路一直陷入低電平狀態(tài)。此時(shí)將會(huì )非?；靵y!一個(gè)描述“包”的圖2有助于說(shuō)明以上問(wèn)題。

　　“0”數值表示后面的幀包含調光器級別的信息。另外的255個(gè)代碼在規范中沒(méi)有定義，但是一些制造商卻使用了其它代碼來(lái)發(fā)送產(chǎn)品的特殊信息。一個(gè)接收了非零開(kāi)始碼的調光器“將會(huì )”忽略包余下的部分，不過(guò)要小心，它不會(huì )總被檢驗到!

　　定時(shí)總結(表2)

　　最小 最大

　　Break 88μs1秒

　　Mark-after-break 8μs1秒

　　Inter-frame-time 0μs1秒

　　“Inter-frame-time”用于減低資料率。有些調光器不能處理高速運行的資料，或者在控制臺處理其它任務(wù)的同時(shí)用于“插入”發(fā)送過(guò)程。它的數值可以在0到1秒之間。

　　規范中對于定時(shí)設置了一些限制。

　　從表2可以看出，資料率有很大的擴展性，但是要注意的是，不允許線(xiàn)路狀態(tài)持續處于“高”或“低”狀態(tài)超過(guò)一秒的時(shí)間，而且此時(shí)應該考慮出錯的條件。

　　差不多DMX512系統中出現的所有誤操作都是源于系統知識的缺乏。引起問(wèn)題的一個(gè)地方是在信號分離中。記住，系統以段終結的方式運行。簡(jiǎn)單地把線(xiàn)路分離(看上去是符合邏輯的)會(huì )由于歐姆量的反復變化而不能工作。這樣做容易導致信號的破壞。

　　解決辦法是使用“分路器”和“中繼器”，通電設備“監聽(tīng)”段上的資料，然后進(jìn)行廣播，或根據需要在下一個(gè)段上“重現”。

　　DMX512控制協(xié)議由來(lái)簡(jiǎn)述：

　　可控硅調光器誕生，開(kāi)創(chuàng )了計算機燈光控制的時(shí)代。隨著(zhù)計算機的升級換代，燈光控制臺也取得迅速發(fā)展。

　　隨著(zhù)可控硅技術(shù)的進(jìn)步，新型抗干擾扼流圈的研制成功，可控硅調光器進(jìn)入了演播廳、賓館、主題公園。硅元件體積縮小，耗電減少，成本降低，舞臺、演播廳使用的可控硅數量成倍增長(cháng)，一套系統由開(kāi)始時(shí)的幾十路發(fā)展到今天的幾千路。演出樣式的多樣，演出規模的擴大，使燈光控制的形式也發(fā)生根本性的變化。

　　計算機燈光控制系統由模擬傳輸到DMX數字傳輸進(jìn)入到當今的網(wǎng)絡(luò )系統傳輸?；仡櫻莩?a href="http://www.healthyzion.com/product/dengguangkongzhishebei/list.html" target="_blank" class="inlink">燈光控制設備發(fā)展的歷程，對正確評價(jià)當前的各種控制系統及展望其未來(lái)的發(fā)展將不無(wú)益處。

　　一.模擬傳輸時(shí)代

　　計算機發(fā)展經(jīng)歷過(guò)電子管、晶體管、集成電路、大規模集成電路等幾個(gè)時(shí)代，計算機燈光控制系統開(kāi)始于小規模集成電路計算機時(shí)代(六十年代)，而真正成批的生產(chǎn)和使用則在大規模集成電路計算機時(shí)代即微機時(shí)代(七十年代)開(kāi)始。

　　大規模集成電路的微型計算機解決了小型化和穩定性的問(wèn)題，當時(shí)的劇場(chǎng)或演播廳中所用可控硅調光回路數一般只有幾十路，控制信號使用直流模擬電壓(例如常用的0到10伏)。計算機內部處理的是二進(jìn)制的數字，對每一個(gè)調光回路，計算機根據原先存儲的數據和現場(chǎng)控制的信息，計算出該回路的亮度數據，一般用八位二進(jìn)制數存儲單元(1個(gè)字節)表示亮度等級，十進(jìn)制數字表示為0到255。把各回路的亮度數據(0到255共256個(gè)數字等級)變換為控制可控硅調光器的0到10伏的控制電壓，計算機輸出接口電路要解決這一由數字信號到模擬電壓的轉換并分配到每一路可控硅調光器的控制信號線(xiàn)上。這一任務(wù)由數模轉換電路和多路電子開(kāi)關(guān)來(lái)解決。

　　模擬傳輸的計算機燈光控制臺框圖如圖-1。虛線(xiàn)內為控制臺，輸出接口電路由D/A控制器和電子多路開(kāi)關(guān)組成，每路調光器一根控制線(xiàn)，加上公共的“接地線(xiàn)”?？刂婆_引出許多控制線(xiàn)，接到可控硅調光柜。這是一個(gè)多線(xiàn)制的時(shí)代，大量的控制線(xiàn)一般用多條多芯電纜來(lái)連接。由于傳輸直流信號，傳輸的穩定性和抗干擾性較好;但當控制臺與調光柜距離較遠，或調光器分散安置的情況下，布線(xiàn)比較麻煩，不夠靈活。

　　模擬傳輸方式使計算機技術(shù)正式進(jìn)入燈光控制領(lǐng)域，出現了大量各種各樣的計算機燈光控制臺，各種控制功能登臺亮相，取長(cháng)補短，不斷改進(jìn)，為計算機燈光控制技術(shù)的成熟完善和普及應用起到了不可替代的重要作用。

　　二.DMX時(shí)代

　　隨著(zhù)舞臺燈光技術(shù)的發(fā)展，調光回路數的增加，劇場(chǎng)中的燈光控制室位置移到觀(guān)眾廳的后部，以便于對舞臺燈光的控制，而調光柜則宜安置于觀(guān)眾廳前方離舞臺較近的地方，以便于供電。燈光回路數的增加(二百路以上)，導致信號線(xiàn)的增加，前面所介紹的一路一線(xiàn)，傳送模擬信號的方式，設備的安裝和使用都不方便。尤其隨著(zhù)演出形式的多樣化，需要控制臺的位置也能動(dòng)一下(如暫時(shí)移到觀(guān)眾廳中，甚至舞臺上)，更有流動(dòng)演出或體育場(chǎng)式的演出場(chǎng)合，控制臺安放在現場(chǎng)操作，流動(dòng)式調光硅箱需分散安放，更需信號線(xiàn)的減少。上述傳送模擬信號的多芯電纜方式顯得很不方便了。

　　二十世紀八十年代隨著(zhù)微型計算機技術(shù)的發(fā)展，一種由一塊芯片集成了CPU、片內RAM、片內ROM、并行I/O(輸入/輸出)接口、串行I/O接口的單片機出現了，用單片機制作的智能化接口電路，將并行輸出的數據轉換為在兩根線(xiàn)上串行傳送的信號變得容易實(shí)現;在接收端將串行傳送的信號數據接收后再轉換為并行的數據也同樣簡(jiǎn)單。串行傳送的總線(xiàn)也經(jīng)過(guò)長(cháng)期的改進(jìn)，出現了傳送速度高，距離遠，可靠性高，抗干擾能力強的標準和相應的模塊。當時(shí)國際上幾個(gè)主要的燈光控制系統制造商推出了在計算機燈光控制臺與可控硅調光柜之間只用兩根線(xiàn)(或稍多幾根線(xiàn))串行數字傳輸(或數字加模擬都串行傳輸)的解決方案。如SMX，AMX192，CMX，PMX等在傳輸速度、數據格式等都互不兼容的傳送方式。雖然串行傳送方式具有信號線(xiàn)少而連接方便的問(wèn)題，但是無(wú)法解決各制造商的設備之間不能互連的問(wèn)題。

　　為此在計算機技術(shù)發(fā)達的美國一個(gè)并非正式的標準制定者——美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì )(United State Institute for Theatre Technology，Inc)于1986年8月提出了一個(gè)能在一對線(xiàn)上傳送512路可控硅調光亮度信息的DMX512標準，這是一個(gè)關(guān)于計算機控制臺和調光器之間數據的數字傳輸標準(后又在1990年4月進(jìn)行了局部的修訂)。

　　提出DMX512方案的美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì )雖然不是一個(gè)正式的標準制定機構，但是由于DMX512具有廣泛的適用性，很快為全世界的制造商和用戶(hù)采用，成為一個(gè)事實(shí)上的國際標準，十多年來(lái)，直至今天，幾乎所有的燈光控制臺和受控的設備都兼容了DMX512的協(xié)議標準。

　　因為有了這一個(gè)統一的標準，不同的制造商之間的設備，只要遵循這一協(xié)議，都能互連控制。兩線(xiàn)制的時(shí)代真正的到來(lái)了。

　　單片機的原理如下圖-2

　　單片機內部的ROM中儲存將并行數據轉換為規定格式的串行信號的程序編碼。在燈光控制臺中加入一塊單片機的接口電路板，原燈光控制計算機將輸往各調光回路的亮度數據送到單片機中，單片機將各路亮度數據轉換為串行的符合DMX512協(xié)議的信號，送往各調光器。數字傳輸的計算機燈光控制臺框圖如圖-3。

　　DMX-512標準在通訊的電氣標準上采用了EIA-485標準。它采用平衡輸出的發(fā)送器，差分輸入的接收器。

　　發(fā)送器有一對輸出線(xiàn)，當一根線(xiàn)上的信號為高電平時(shí)另一根線(xiàn)上的信號變?yōu)榈碗娖?，反之亦然，線(xiàn)之間的信號極性因此翻轉過(guò)來(lái)。這兩種狀態(tài)分別代表“1”和“0”。一般情況下，傳輸線(xiàn)路只用兩根線(xiàn)，不用公共地線(xiàn)，線(xiàn)路完全平衡。這使得通信雙方由于地電位不同而對通信線(xiàn)路產(chǎn)生的干擾減至最少。再配以先進(jìn)的專(zhuān)用接口電路，傳輸的穩定性也相當好。這在當時(shí)是比較先進(jìn)的。

　　傳送數據采用異步的串行格式。調光器的亮度數據被順序地發(fā)送，從調光器1開(kāi)始，到最后一個(gè)調光器結束，直到第512的最大值。

　　在第一個(gè)亮度發(fā)出以前，先送出一個(gè)復位信號(BREAK)。復位信號(圖-4中的①)由持續至少88微秒的一個(gè)低電平(2幀時(shí)間)或再長(cháng)的持續時(shí)間組成。并且在后面緊跟一個(gè)空的開(kāi)始代碼。接著(zhù)開(kāi)始順序傳送亮度信號數據。

　　有效的調光器亮度將是十進(jìn)制0～255，代表調光器的亮度輸入控制值由關(guān)閉到完全亮足的線(xiàn)性關(guān)系。

　　在復位(BREAK)和開(kāi)始代碼之間有一個(gè)標記，它的持續時(shí)間(參見(jiàn)圖-4中的②)將不少于8微秒并且不大于1秒(所有的DMX512/1990發(fā)生器將在BREAK后產(chǎn)生一個(gè)不少于8微秒的標記)。

　　跟在復位后的空字符(所有位都為零)是一個(gè)特殊定義的字節?？兆址_(kāi)始表明隨后的數據作為順序的一路路8位的調光器的亮度信息。

　　每個(gè)亮度數據的傳輸格式如下：

　　第1位為開(kāi)始位，低電平;

　　第2到第9位為調光器的亮度數據位，由最低的位到最高的位，正邏輯。

　　第10，11位為停止位，高電平。無(wú)奇偶位。

　　數據率為每秒250千位(250 kHz)

　　每位時(shí)間為4.0微秒

　　每幀時(shí)間為44.0微秒

　　512個(gè)調光器數的最小的更新時(shí)間為22.67毫秒

　　512個(gè)調光器的最大的更改率為44.11次/秒

　　由此可見(jiàn)，DMX512發(fā)出的一串數據，除了開(kāi)始的復位信號，大于8微秒的標記及一個(gè)“0”的數據外，都是一個(gè)個(gè)亮度數據，最多512個(gè)。