基于K64‑MCU的多功能LED幕墙控制系统的制作方法

本发明涉及led幕墙控制技术领域，特别是涉及一种基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统。

背景技术：

led幕墙，顾名思义就是将led技术与幕墙系统相结合的产物，在不影响建筑物其它功能(如室内照明采光，建筑外观效果)的前提下，实现建筑功能的拓展与建筑夜视美化的目的。led幕墙兼具led显示屏和景观照明的功能，可以通过它形成流光溢彩的轮廓，显示图片、文字或者视频。

led幕墙以其低功耗、长寿命、低成本的特点，广受大楼设计者欢迎。其主要分类有两种：一种是表贴式的高分辨率led幕墙，通常封装成点阵式的矩形模组，每个像素间的间距为6mm到12mm。若要实现大尺寸显示，就需要采用模组拼装的方式，一般用来显示高清晰度的实况转播、广告等。另外一种是由灯条(或称灯管)串联起来的分辨率较低的led幕墙。其成本相对较高，像素间距一般在30mm以上，可以用在高楼的整堵墙面上，具有很高的商业和艺术价值。

控制器是led幕墙控制系统的核心部件，目前市场上针对led幕墙的控制器多采用arm+fpga的双处理器架构，此方案的控制器开发成本高，控制相对复杂并且可移植性差。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统，所述控制系统包括：

pc机，用于将每帧画面分割成多个块并生成指定格式的文件，分发到各个led幕墙控制器的物理存储设备；

led幕墙控制器，包括若干用于存储pc机分发文件的物理存储设备及与物理存储设备一一对应的控制芯片，控制芯片将文件内容解析成dmx信号，并按照通道号输出，所述控制芯片为cortexm4内核的k64-mcu芯片；

led幕墙，与led幕墙控制器通过总线相连，led幕墙由多个块状led发光单元及对应的dmx解码器组成，dmx解码器识别并控制rgb三色，实现256灰度级控制。

作为本发明的进一步改进，所述pc机通过tcp或手动的方式将生成的文件分发到各个控制芯片对应的物理存储设备中。

作为本发明的进一步改进，所述led幕墙与led幕墙控制器通过rs485总线相连。

作为本发明的进一步改进，所述led幕墙控制器还包括扩展底座，所述扩展底座与led幕墙通过总线相连，所述控制芯片固定安装于所述扩展底座上。

作为本发明的进一步改进，所述扩展底座上设有用于实现sd卡读写的sd卡接口、用于实现网络传输的以太网接口、用于实现dmx信号模拟的dmx接口、用于实现gps对时的gps接口中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述led幕墙中的dmx解码器包括基于dmx512协议的解码芯片。

作为本发明的进一步改进，所述解码芯片为sm16512芯片，sm16512芯片拥有4个独立的输出驱动通道控制rgbw四色，信号采用spwm输出，驱动电流为3～60ma。

本发明的有益效果是：

本发明的led幕墙控制系统具备速度快、规模大、支持异构布局、安装与维护简单等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统的模块示意图；

图2为本发明中led幕墙控制器的模块示意图；

图3为本发明一具体实施方式中sd总线的示意图；

图4为本发明一具体实施方式中sd卡接口电路图；

图5为本发明一具体实施方式中以太网接口电路图；

图6为本发明一具体实施方式中dmx接口电路图；

图7为本发明一具体实施方式中sm16512芯片引脚图；

图8为本发明一具体实施方式中sm16512芯片的应用原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种基于k64-mcu的多功能led幕墙控制系统，该控制系统包括：

pc机10，用于将每帧画面分割成多个块并生成指定格式的文件，分发到各个led幕墙控制器的物理存储设备；

led幕墙控制器20，包括若干用于存储pc机分发文件的物理存储设备21及与物理存储设备一一对应的控制芯片22，控制芯片22将文件内容解析成dmx信号，并按照通道号输出，控制芯片为cortexm4内核的k64-mcu芯片；

led幕墙30，与led幕墙控制器通过总线相连，led幕墙由多个块状led发光单元及对应的dmx解码器组成，dmx解码器识别并控制rgb三色，实现256灰度级控制。

本发明中多功能led幕墙控制系统的整体设计依托于实验室已有的物联网技术框架ismta即“互联网+智能制造”技术架构，但与之存在着诸多差异。在充分利用已有软件资源的基础上根据实际的项目需求进行调整，加快了系统的开发速度，确保了系统的可行性和稳定性。

pc机10用户软件可以分为灯具布线软件、web端控制程序和网络传输工具这三个部分：它是系统的上位机控制端，用户可以通过布线软件按照指定的灯效数据格式生成调光文件供控制器使用；通过web控制程序下发指令，利用网络传输工具实现远程控制led幕墙或更新调光文件等功能；

led幕墙控制器20是本系统的核心部件，选用cortexm4内核的k64-mcu作为控制核心，搭载mqx-lite实时操作系统，实现以太网通信，sd卡读写，gps对时等功能，同时读取sd卡中的调光文件并按照dmx512协议输出多组dmx信号，实现对led幕墙的有效控制；

led幕墙30由多根dmx灯具或灯条连接而成，其内核就是dmx解码器，是实现灯光效果的基础性部件。dmx解码器主要用于接收led幕墙控制器发送的dmx信号，并按照dmx512协议进行解析，实现控制和管理各个led灯。

控制系统的整体流程如下：

pc机10根据实际工程的硬件布线情况将每帧画面分割成多个块，并生成指定格式的文件，通过tcp或者手动的方式分发到各个控制芯片对应的物理存储设备；控制芯片将文件内容解析成dmx信号，并按照通道号输出至rs485总线，由灯具内部的dmx解码器识别并控制rgb三色，实现256灰度级控制。

本发明采用分布式存储技术，将视频文件分割处理后的调光数据存储在各个led幕墙控制器中，使其负载均衡；各个led幕墙控制器之间仅需要很小的数据量就能实现同步，不会影响整体的执行效率；淡化了主从结构，在脱机模式下，主控制器只起到同步作用，不做集中存储；并且一个led幕墙控制器出现问题不会影响整个系统，这种方式不但提高了系统的可靠性、并发性和存取效率，还易于扩展，容错性好，突破了原有系统的瓶颈。

本发明是一个由多控制器实现的分布式系统，必然涉及到个控制器之间的级联问题。原有方案采用以太网级联的方式，理由是高速通信，10mbps的带宽足够用来快速传输调光数据和控制信号。但采用了分布式存储技术之后，不需要传输大量的调光数据，仅需传输同步信号，数据量极小。所以本发明的方案选择使用rs485总线进行通信，其优点在于通信方式简单、易开发、抗干扰，成本相对以太网通信降低很多。经测试rs485通信速率配置到2mbps可以正常通信，完全符合要求。

支持异构布局是led幕墙控制系统未来发展的一大趋势。如今很多相关的led幕墙控制系统，在工程布局时要求灯具按照规则的形状来排布，有些是以规则的m*n的矩形led模组作为显示媒介。基于dmx512协议的led幕墙控制对异构布局的设计方案则更为少见，但是作为景观灯应用的一种，往往需要按照建筑物的特点，例如球型的屋顶，柱型的墙体等，进行灯具布置，所以本发明设计了一种支持异构布局的led幕墙控制系统，从而大大提高其实用性。

该功能需要配合上位机灯具布线软件使用，按照工程需求，用户可以任意设计布线方式，例如s型布线、z型布线或者其他任意方式。用户可以导入任意格式视频文件，布线软件会将其序列化输出为二进制文件即调光文件。led幕墙控制器会根据dmx通道使能与否以及发送的数据长度来控制led灯的亮暗及数目，从而支持异构布局。

参图2所示，本发明中基于k64-mcu的led幕墙控制器20，包括扩展底座23及位于固定安装于扩展底座上的控制芯片22，控制芯片为cortexm4内核的k64-mcu芯片(mk64fx512)，它是恩智浦(nxp)公司在2014年最新推出的一款基于cortexm4内核的32位微控制器，具有512mb片上flash和256kbram；主频最高可配置到200mhz；24路单端和4路差分的ad模块(16位高精度)；8个pwm通道；1个sdhc(sd卡)控制器；5个uart模块；1个usb2.0otg接口；高达100个i/o引脚。此外，芯片支持电压范围为1.71v～3.6v，工作温度为-40℃～105℃。

另外，扩展底板23包含了核心板对外提供基本接口及其他功能，包括用于实现sd卡读写的sd卡接口231、用于实现网络传输的以太网接口232、用于实现dmx信号模拟的dmx接口233、用于实现gps对时的gps接口234。

sd卡接口231：sd卡接口与sd卡通过sd总线模式进行数据传输，sd总线包含主机向存储卡发送的时钟信号、双向的命令/响应信号、4个双向的数据信号、及电源和地信号。sd总线包括一个主机和多个从机，并采用同步的星形拓扑结构，且sd总线上设有若干上拉电阻。

sd卡作为一种存储容量大，读写速度快，价格低廉并且方便携带的物理存储设备，被广泛应用于各种led幕墙控制系统。通过设置这些寄存器可以使得k64作为主机与sd卡从机进行通信。sdhc是符合sd2.0规格的新一代存储卡，特点是高容量(大于2g，小于32g)，其对应的文件系统也从fat16提升到了fat32。sd卡定义了两种通信协议：sd总线模式和spi总线模式。由于spi模式是单线传输，sd模式可以选择4线传输，相比之下，sd总线模式的传输速率更高，所以本发明选择4位数据线的sd模式，sd总线框图如图3。

根据sdv2.0协议，sd总线包含以下信号：(1)clk：主机向存储卡发送的时钟信号；(2)cmd：双向的命令/响应信号；(3)dat0～dat3：4个双向的数据信号；(4)vdd、vss1、vss2：电源和地信号。

sd总线有一个主机多个从机并采用同步的星形拓扑结构。所有存储卡共用时钟、电源和地信号，命令(cmd)和数据(dat0～dat3)信号是存储卡的专用信号，为所有卡提供连续的点对点连接，典型电路连接如图4。很多芯片内部采用的是漏极开路的设计方式，因此在输出高电平时，需要外界上拉电阻，否则无法输出高电平。选择上拉电阻时候，可以选取一些阻值较大的电阻，可以减少待机功耗。其中，data3线必须上拉，这样在上电后即进入sd总线模式。

以太网接口232：以太网接口包括w5500芯片，w5500芯片作为以太网接口的控制芯片。k64-mcu芯片设有3个spi接口，可以用来同w5500芯片进行通信，k64-mcu芯片的mosi信号线与w5500芯片的miso信号线相接，k64-mcu芯片的miso信号线和w5500芯片的mosi信号线相接。w5500芯片包括txn/txp和rxn/rxp两路差分信号线，两路差分信号线与以太网接口中的网络变压器连接。

网络通信技术凭借其传输速度快、网络配置简单等特性，成为led幕墙控制行业的研究热点。传统的以太网芯片例如enc28j60、ddm900，仅封装了物理层(phy)和介质访问控制层(mac)，从网络层开始都需要软件实现，例如协议栈软件。协议栈占用的系统资源是非常可观的，如果运行在低性能的处理器上，处理器将无法及时响应用户的请求。为了在满足功能需求的同时，提高编程效率，简化电路设计，本系统选用wiznet公司的w5500芯片作为以太网控制芯片。w5500是一款全硬件tcp/ip嵌入式以太网控制芯片，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。w5500集成了tcp/ip协议栈，10/100m以太网数据链路层和物理层，并且配备多达32k的片上ram作为数据收发缓存，把网络数据流量的处理工作全部转移到w5500集成硬件中进行，这样主控芯片只需要承担应用层控制信息的逻辑任务，大大提高了系统开发效率，使得用户使用单芯片就能够在应用中拓展网络连接。此外硬件tcp/ip的不可攻击性，保证了在此基础上搭建的网关的安全性。w5500芯片使用高效spi协议，支持80mhz速率，从而能够更好的实现高速网络通讯。根据芯片手册设计其原理图如图5所示。

k64-mcu有3个spi接口，可以用来同w5500进行通信，其中k64作为主机，w5500作为从机。spi协议一般有4根线，其中一根是片选线，低电平有效。其他三信号线clk，mosi和miso。需要注意的是，作为主机，k64的mosi信号线需要和w5500的miso相接，k64的miso信号线需要和w5500的mosi相接。w5500芯片的txn/txp和rxn/rxp这两路差分信号分别和网络接口hr911105a中的网络变压器连接。

dmx接口233：dmx接口包括rs-485收发器，rs-485收发器为sp3485收发器，sp3485收发器与uart模块相连，且uart模块的tx引脚和rx引脚分别设有限流电阻连接到sp3485收发器的di引脚和ro引脚。rs-485收发器采用双绞线进行通信传输，rs-485收发器的终端设有终端电阻以消除由分布电感和分布电容产生的反射现象。dmx接口还包括保护电路，保护电路包括连接于sp3485收发器输出端上的瞬态电压抑制二极管、以及连接于sp3485收发器输出端上的上拉电阻和下拉电阻。

dmx接口的电气特性是围绕工业标准eia-rs-485接口设计，对应于osi模型中的物理层，采用差分传输方式。因此对于dmx接口的设计，其实就是对rs-485接口电路的设计。对于rs-485来说，它仅仅规定了接收端和发送端的电气特性，并没有规定任何数据协议。dmx512协议的通信接口电路，如图6所示。

作为本发明最基础也是最重要的部分，dmx接口电路设计的好坏关系到整个系统的稳定性和高效性，只有对以下几个方面进行合理的设计，才能更有效的减少电路设计的难度和后期维护的成本。

(1)rs-485收发器选择

rs-485收发器芯片是一种常用的通讯器件。目前，在许多半导体公司的rs-485收发器系列产品中可以找到对应的型号，并且这些产品具备良好的兼容性，可以直接替换使用，但应该根据不同的应用场合进行合理的选择。例如，对于外置设备，因为它对电磁或雷击冲击更为敏感，可以选用集成esd(electro-staticdischarge静电释放)增强保护功能的rs-485收发器；对于多节点系统，可选增强型i/o单位负载的rs-485收发器；对于3.3v应用系统，应该选用3.3v的rs-485收发器。考虑到本控制器是3.3v的工作电压，选用一款支持3.3v供压、低功耗、半双工的收发器sp3485。它完全符合rs-485的串行协议电气规范，允许同一总线上连接多达128个收发器，并且在带负载的情况下它的数据传输速率最高可达10mbps，具有驱动器输出短路保护功能，可以很好的满足本控制器的设计要求。

(2)rs-485收发模式的切换

uart模块的tx引脚和rx引脚分别接一个限流电阻连接到sp3485芯片的di引脚和ro引脚。rs485收发器同时只能工作在“接收”或者“发送”两种模式之一，re/de信号时钟为高电平时，发送器有效，接收器禁止；re/de信号时钟为低电平时，接收器有效，发送器禁止。一般情况下，可以选择控制器的一个引脚直接控制该引脚的电平高低，此处为了节省控制器的引脚资源，可以给其增加一个收发逻辑控制电路，利用一个三极管s8050，在进行收发数据时，自动切换收发模式。

(3)终端电阻的选择

实际的信号传输线都具有分布电感和分布电容，由此会产生一种反射现象，从而导致系统失控。为了消除这种反射现象，保证rs-485通信系统的可靠性，提高系统的抗干扰能力，通常对rs-485通信系统的端点安装合适的终端匹配电阻。该终端电阻的大小取决于传输电缆的特性阻抗，由于rs-485通信传输通常采用双绞线，并且其特性阻抗为120w。因此，本系统所选用的终端匹配电阻如图6中所示的r55也取120ω。

(4)保护电路设计

为提高rs-485通信的安全性，保护rs-485总线免受雷击、浪涌等高压冲击，进而造成rs485接口电路的损坏，需要对系统添加适当的保护电路，如图6中所示的ke48电路部分。ke48是一种瞬态电压抑制二极管，主要应用于非对称性保护的标准rs-485多点传输系统中。其防护电压范围为-7v～+12v。本系统的ke48元件需要将其1号和2号引脚分别连接在rs-485通信接口的两条输出信号线上，即sp3485芯片的a和b引脚输出上，而3号引脚直接连接gnd即可。另外，输出端a、b分别加一个4.7k的上拉电阻和下拉电阻，提供网络失效保护，确保无信号时能保证高低电平的稳定输出，以提高rs-485节点的可靠性。

gps接口234：gps接口包括neo-7m芯片，用于进行时间同步和监控控制器的使用位置。

gps(globalpositionsystem全球定位系统)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，其主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。gps在每颗卫星上配备精密的铯原子钟，并由地面监控站进行校准，实现与utc(coordinateduniversaltime世界统一时间)时间同步。gps接收机接收至少四颗卫星的信号，根据卫星提供的位置信息，通过伪距测量定位方法可以计算出接收机在地球上的位置以及接收机时间与utc时间的偏差，并进行时间同步校准。

本控制器的gps-oem选用微雪电子neo-7m模块，它是一款低功耗的超小外形gps接收模组，该产品采用了新一代u-blox芯片，超高灵敏度，精度高、定位准确，具有全方位功能，内嵌在使用gps服务的智能手机，平板电脑，主要用于人员定位管理，设备测速，物流车辆跟踪定位等领域。应用于本控制器中，既可以用来做时间同步，而且可以监控本控制器的使用位置。

为了能够让gps模块发挥最高性能，gps接口电路的实际布板至关重要。其rf引脚的微带线至天线的连接点应尽可能短，在2.5cm之内。微带线周围用完整的gnd包裹，为了减少信号反射，应尽量避免90度布线，直线和圆形布线最为理想。微带线部分pcb底层需要铺完整的铜。在射频信号线两旁打上孔，减少外界对信号线的干扰，另外还设有100m磁珠，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。

本发明中led幕墙30中的dmx解码器包括基于dmx512协议的解码芯片。解码芯片为sm16512芯片，其是深圳市明微电子股份有限公司生产的sm16512芯片，该芯片是针对全彩led灯而研发的解码芯片，拥有4个独立的输出驱动通道控制rgbw四色，可通过软件设置输出通道数的选择(本课题仅用到其中的rgb三个通道)，用来实现256级的灰度控制；输出采用spwm技术，能够保证稳定的电流输出，驱动电流高达3～60ma。该芯片sop16的封装结构如图7所示，其引脚定义如表1。

表1sm16512引脚定义

数据传输兼容并扩展dmx512协议，dmx信号从a、b两个引脚输入芯片，能够识别的信号的频率范围为250kbps到800kbps。每个芯片内置eeprom器件，用于存储芯片的地址，通过信号线总线写码方式一次性自动写码多个sm16512芯片。

基于dmx512协议的每个解码芯片都需要被赋予一个数字启动地址编号，这个地址编号即该解码芯片的起始地址，而步进地址就是指该解码芯片能同时对几字段dmx信号产生控制动作。起始地址用于dmx信号的寻址，以保证解码芯片只对属于“自己的”控制信号产生反应。当dmx数据包的字段序号与某解码芯片的地址码即所赋予的起始地址序号相同时，解码芯片就开始对该字段及其之后的几个字段dmx信号进行解码并产生控制动作。与此同时，其他处于同一条链路上的解码芯片对dmx信号没有反应。直到dmx数据包的控制字段号过渡到与下一解码芯片所赋予的起始地址序号相同时，该解码芯片停止受控，同时下一个解码芯片的地址码发挥作用，处于受控状态。

试举一例，假设某dmx控制端口驱动若干解码芯片，则第一个解码芯片的起始地址是001，第二个解码芯片的起始地址就是001加第一个解码芯片的步进地址，假设所有的解码芯片的步进地址都是3，那么，第二个解码芯片的起始地址就是004，以此类推，第三个解码芯片的起始地址就是007，在标准dmx512协议下，最后一个灯具的起始地址与其步进地址相加不能超过512，但是对于本实验对象中的灯具，其最终值可以大于512。当然地址也可以设置成不连续的，这样的话dmx数据包的数据利用率就不高了。

该芯片主要为建筑物装饰和舞台灯光效果led照明系统而设计，非常适合用于需要并联的led照明系统设计，其应用原理如图8所示。某一个解码芯片的异常完全不影响其他芯片的正常工作，相比市场串接的恒流解码芯片而言更具有可靠性和安全性，维护方便等特点。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

整个系统需要支持异构布局，软件操作需简单；

控制器支持联机控制功能，联机采用以太网使用tcp/ip协议通信，在联机状态下能实现灯光设备开关灯、信息查询、调光和远程更新存储器中的效果文件；

控制器支持单机功能，系统中的每一台机器都可以做主机，控制器会根据软硬件配置自动识别本机处于主机状态或者是从机状态，主机同步所有从机读取存储器中的效果文件进行播放；

支持sd或tf卡作为存储介质；

控制器输出的dmx信号能够兼容市场上的dmx灯具，其信号波特率可配置。每台控制器后端直接连接dmx灯具，不需要其它分控；

根据每个dmx数据包23ms计算，基于dmx512协议的播放帧率的极限是44帧/秒，控制器可以实现播放帧率的自由调节；

控制器能够对市场上的多数dmx解码器进行一次性写址。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。