灯光电路的制作方法

1.本发明涉及dmx灯具控制领域，尤其涉及一种灯光电路。


背景技术：

2.dmx是digital multiplex的缩写，意为多路数字传输。dmx512控制协议是美国舞台灯光协会(usitt)于1990年发布的灯光控制器与灯具设备进行数据传输的工业标准，全称是usitt dmx512(1990)，包括电气特性、数据协议、数据格式等方面的内容。和传统的模拟调光系统相比，基于dmx512控制协议的数字灯光系统，以其强大的控制功能给大、中型景观亮化和影视演播室和综艺舞台的灯光效果带来了翻天覆地的变化，而且由于能够级联多个绕dmx灯具，可以配合led dmx驱动组成一个完整的dmx控制系统。在大型的led户外景观亮化装饰工程中，由dmx512控制器和dmx驱动组成的控制系统得到广泛的应用。随着最近几年户外景观装饰领域亮化的兴起，特别是并联传输信号的连接方式，使得dmx512协议在户外景观装饰应用大放异彩。由于在大型景观亮化工程上，为了后续人工维护成本低，或者单点故障根本不需要维护，任何灯具点故障不影响其他灯具工作，基本上采用并联接线方式。
3.虽然灯光控制系统已发展到网络化控制系统，但dmx512信号系统仍是目前应用最广泛的系统，即使是大型的网络化灯光控制系统，控制的末端仍然大量采用dmx512信号控制方式。但是dmx512灯光控制标准也有一些不足，布线与初始设置随系统规模的变大而变得过于繁琐等。
4.参考图1，目前常用的灯光dmx512主机与外设(led灯具)之间以及外设之间进行供电和数据传输的主要以五线方式(一条电源线，两条差分信号输出数据线，一条地线，以及一条串联形式的地址代码线)进行分别供电、通信，如图中，u1至un表示灯具芯片，vin、gnd节点所连接的分别是电源线和地线，a、b节点所连接的是两条差分信号输出数据线，如图中虚框所示，可以在该数据线上任意位置写入数据，adri节点所连接的即是地址代码线。这种通信和供电方案必然造成通信线路更多，且布线困难，不仅会造成连线资源的浪费，还会增加系统的连线复杂度。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种灯光电路。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种灯光电路，包括发送单元和接收单元，所述发送单元包括直流电源电路、信号调制电路以及dmx512灯具控制器，所述接收单元包括电源还原电路和至少一个dmx512灯光单元；
7.所述直流电源电路的正负输出端分别连接所述信号调制电路的两个输入端，所述信号调制电路的两个差分输出端分别经由第一电源线和第二电源线连接至各所述灯光单元的差分输入端以及连接所述电源还原电路的两个输入端，所有的灯光单元顺次通过地址线串接；
8.所述信号调制电路用于将数字通信信号调制到所述直流电源电路输出的直流电
源上形成载波电源信号输出；所述灯光单元用于接收所述载波电源信号，并解调得到所述数字通信信号；所述电源还原电路用于接收所述载波电源信号，并按照原来的电流方向整流还原出所述直流电源以给整个所述接收单元供电，灯具控制器用于通过所述地址线写入顺序地址码到各个灯光单元。
9.优选地，所述信号调制电路包括受控于所述灯具控制器或者调制控制器的两组开关，所述灯具控制器或者调制控制器用于根据所述数字通信信号控制所述两组开关的状态切换，任意时刻两组开关的状态相反且仅一组开关导通；
10.其中，一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第一电源线之间的第一开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第二电源线之间的第二开关；另一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第二电源线之间的第三开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第一电源线之间的第四开关。
11.优选地，所述第一开关和第三开关均为pmos管，所述第二开关和第四开关均为nmos管，所述第一开关和第三开关的源极共接并连接所述直流电源电路的正输出端，所述第二开关和第四开关的源极共接并连接所述直流电源电路的负输出端，所述第一开关和第四开关的漏极共接并经由一个电感连接第一电源线，所述第二开关和第三开关的漏极共接并经由另一个电感连接第二电源线，所述第一开关和第三开关均在各自的源极和栅极之间连接电阻，所述第一开关的栅极经由一个信号翻转电路与第二开关的栅极共接并连接所述灯具控制器或者调制控制器的第一个控制脚，所述第三开关的栅极经由另一个信号翻转电路与第四开关的栅极共接并连接所述灯具控制器或者调制控制器的第二个控制脚，信号翻转电路用于将输入信号翻转后输出，所述灯具控制器或者调制控制器的第一个控制脚和第二个控制脚用于输出互为翻转的方波信号。
12.优选地，所述信号翻转电路包括npn三极管、滤波电容和滤波电阻，所述npn三极管的基极接收输入的方波信号，所述npn三极管的基极和发射极之间连接电阻，所述npn三极管的发射极接地，所述npn三极管的集电极连接所述滤波电容和滤波电阻的第一端，所述滤波电容和滤波电阻的第二端用于输出翻转后的方波信号。
13.优选地，所述发送单元还包括输出检测电路，所述输出检测电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端连接所述第二开关的源极，所述运算放大器的异相输入端经由电阻接地，所述运算放大器的异相输入端还与所述运算放大器的输出端之间连接电阻，所述运算放大器的输出端连接所述灯具控制器或者调制控制器的一个检测引脚。
14.优选地，每一个灯光单元包括dxm解码芯片，所述dxm解码芯片的地址信号输入端与前一个灯光单元的dxm解码芯片的地址信号输出端通过地址线连接，第一个灯光单元的dxm解码芯片的地址信号输入端悬空，每一dxm解码芯片的两个电压检测引脚分别经由光耦隔离和电阻降压后与所述第一电源线、第二电源线连接。
15.优选地，所述电源还原电路包括由第五开关、第六开关、第七开关、第八开关构成的桥堆，第七开关和第八开关的控制端均连接至第五开关和第六开关之间且与所述第一电源线连接，第五开关和第六开关的控制端均连接至第七开关和第八开关之间且与所述第二电源线连接，第五开关和第七开关之间作为还原出的所述直流电源的正输出端、第六开关和第八开关之间作为还原出的所述直流电源的负输出端。
16.优选地，所述电源还原电路还包括连接在所述直流电源的正输出端和负输出端之
间的滤波电容。
17.优选地，所述第五开关和第七开关均为pmos管，第六开关和第八开关均为nmos管。
18.优选地，所述第五开关、第八开关均在各自的源极和漏极之间连接电阻。
19.本发明的灯光电路，具有以下有益效果：本发明进行通信时，发送单元首先将数字信号调制到电源的直流电源中，生成载波电源信号后再发往接收单元，接收单元解调载波电源信号从而得到数字通信信号和直流电源，最终实现供电和通信，另外由于灯光单元并联，灯光单元通过地址线实现顺次写地址码来区分灯光单元的顺序，如此，本发明可以在三根线的基础上，同时满足供电、信息、地址码的传送，本发明连线少，通信质量可靠，成本低，硬件开销少，便于扩展和维护等优点，特别适合大型的dmx512灯光控制系统。
附图说明
20.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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
21.图1是传统灯光dmx512主机与led灯具之间以五线方式进行供电和数据传输的原理图；
22.图2是本发明灯光电路的结构示意图；
23.图3是信号调制电路的电路原理图；
24.图4是接收单元的电路原理图。
具体实施方式
25.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。需要说明的是，本文所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。
27.本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
28.参考图1，本发明的基于直流两线的供电兼具通信电路，包括发送单元1和接收单元2，发送单元1和接收单元2之间仅通过第一电源线100、第二电源线200连接。所述发送单元1包括直流电源电路11、信号调制电路12以及dmx512灯具控制器13，所述接收单元2包括
电源还原电路21和至少一个dmx512灯光单元22。
29.所述直流电源电路11的正负输出端分别连接所述信号调制电路12的两个输入端，所述信号调制电路12的两个差分输出端分别经由第一电源线100和第二电源线200连接至各灯光单元22的差分输入端以及连接所述电源还原电路21的两个输入端。另外由于灯光单元22的供电、通信的方式属于并联，为了能区分灯光单元22的顺序，所有的灯光单元22顺次通过地址线300串接，灯光单元22通过地址线300实现顺次写地址码来区分灯光单元的顺序。
30.所述信号调制电路12用于将数字通信信号(比如方波信号)调制到所述直流电源电路11输出的直流电源上形成载波电源信号输出；所述灯光单元22用于接收所述载波电源信号，并解调得到所述数字通信信号；所述电源还原电路21用于接收所述载波电源信号，并按照原来的电流方向整流还原出所述直流电源以给整个所述接收单元1供电，也就是说还原出的直流电源的电流方向是稳定的，也即还原出的直流电源的正极和负极是稳定的，如此不会因为载波原因，降低直流电源原来输出电气参数。
31.参考图3，所述信号调制电路12包括调制控制器u1(mcu，比如stc8g1k08-sop8)以及受控于所述调制控制器u1的两组开关，所述调制控制器u1用于根据所述数字通信信号控制所述两组开关的状态切换，任意时刻两组开关的状态相反且仅一组开关导通。可以理解的是，调制控制器u1也可以省略掉，直接利用灯具控制器接管其功能。
32.其中，一组开关包括连接于所述直流电源电路11的正输出端和第一电源线100之间的第一开关u3a以及连接于所述直流电源电路11的负输出端和第二电源线200之间的第二开关u4b；另一组开关包括连接于所述直流电源电路11的正输出端和第二电源线200之间的第三开关u3b以及连接于所述直流电源电路11的负输出端和第一电源线100之间的第四开关u4a。
33.本实施例中，所述第一开关u3a和第三开关u3b均为pmos管，所述第二开关u4b和第四开关u4a均为nmos管，所述第一开关u3a和第三开关u3b的源极共接并连接所述直流电源电路11的正输出端，所述第二开关u4b和第四开关u4a的源极共接并经由并联的电阻r9、r10后连接所述直流电源电路11的负输出端，所述第一开关u3a和第四开关u4a的漏极共接并经由一个电感l1(主要是滤波，也可以省略掉此电感)连接第一电源线100，所述第二开关u4b和第三开关u3b的漏极共接并经由另一个电感l2(主要是滤波，也可以省略掉此电感)连接第二电源线200，所述第一开关u3a在源极和栅极之间连接电阻r2，所述第三开关u3b在源极和栅极之间连接电阻r3，所述第一开关u3a的栅极经由一个信号翻转电路与第二开关u4b的栅极共接并连接所述调制控制器u1的第一个控制脚即7脚，所述第三开关u3b的栅极经由另一个信号翻转电路与第四开关u4a的栅极共接并连接所述调制控制器u1的第二个控制脚即8脚。
34.信号翻转电路用于将输入信号翻转后输出，具体的，所述第一开关u3a的栅极所连接的信号翻转电路包括npn三极管q1、滤波电容c1和滤波电阻r1，所述npn三极管q1的基极经由电阻r5接收输入的方波信号pwm1(方波信号pwm1的波形与数字通信信号的波形一致)，所述npn三极管q1的基极和发射极之间连接电阻r6，所述npn三极管q1的发射极接地，所述npn三极管q1的集电极连接滤波电容c1和滤波电阻r1的第一端，滤波电容c1和滤波电阻r1的第二端用于输出翻转后的方波信号给到u3a。同理，第三开关u3b的栅极所连接的信号翻
转电路包括npn三极管q2、滤波电容c2和滤波电阻r4，所述npn三极管q2的基极经由电阻r7接收输入的方波信号pwm2，所述npn三极管q2的基极和发射极之间连接电阻r8，所述npn三极管q2的发射极接地，所述npn三极管q2的集电极连接滤波电容c2和滤波电阻r4的第一端，滤波电容c2和滤波电阻r4的第二端用于输出翻转后的方波信号给到u3b。
35.所述调制控制器u1的第一个控制脚(7脚)和第二个控制脚(8脚)用于输出互为翻转的方波信号。如图中示意的，第一个控制脚(7脚)输出方波信号pwm1，第二个控制脚(8脚)输出方波信号pwm2，pwm1与pwm2是互为翻转的，最终得到的输出pwm3为载波电源信号。
36.优选地，信号调制电路12还包括输出检测电路13，输出检测电路13包括运算放大器u2a，运算放大器u2a的同相输入端连接所述第二开关u4b的源极，所述运算放大器u2a的异相输入端经由电阻r12接地，所述运算放大器u2a的异相输入端还与所述运算放大器u2a的输出端之间连接电阻r11，所述运算放大器u2a的输出端连接所述调制控制器u1的一个检测引脚即6脚。
37.参考图4，每一个灯光单元22在取电和信号解码方面的原理相同，下面仅以其中一个灯光单元22为例说明。如图中，第一个灯光单元22包括dxm解码芯片dmx512-u1比如ucs512，以及与dmx512-u1的r、g、b、w引脚分别连接的r、g、b、w四个灯串，每个灯串包括至少有一颗led灯珠。dmx512-u1两个电压检测引脚(11、12脚)分别经由光耦隔离后，再经由电阻r4、r3与所述第一电源线100、第二电源线200连接。电阻r3、r4主要是分压和限流作用，以保护光耦，避免过流烧坏光耦。
38.因为灯光单元22的供电、通信的方式属于并联，无法确定灯光单元22的顺序，为了能区分灯光单元22的顺序，所有的灯光单元22顺次通过地址线300串接，灯光单元22通过地址线300实现顺次写地址码来区分灯光单元的顺序。具体来说，每一个dxm解码芯片的地址信号输入端(如图中10脚)与前一个dxm解码芯片的地址信号输出端(如图中p0脚)通过地址线连接，第一个灯光单元的dxm解码芯片dmx512-u1的地址信号输入端是悬空的。写地址的过程是，第一个dxm解码芯片解码出信号后会写入地址，并通过地址线300告知与其连接的第二个dxm解码芯片写地址，第二个dxm解码芯片写入地址后通过地址线300告知与其连接的第三个dxm解码芯片写地址，以此类推，如此就可以确定灯光单元的顺序。对于除第一个dxm解码芯片以外的其他dxm解码芯片来说，因为他们的输入地址信号输出端是连接了dxm解码芯片的，所以其都会等前一级的dxm解码芯片通知后才写地址。
39.需要说明的是，实际上，为了便于更换灯光单元22的顺序，也为了便于安装，每一个dxm解码芯片的地址信号输入端、地址信号输出端都连接了地址线300，所以附图4中的dmx512-u1的地址信号输出端实际上也是连接了地址线300的。
40.所述电源还原电路21包括由第五开关u1a、第六开关u2a、第七开关u1b、第八开关u2b构成的桥堆，第七开关u1b和第八开关u2b的控制端均连接至第五开关u1a和第六开关u2a之间且与所述第一电源线100连接，第五开关u1a和第六开关u2a的控制端均连接至第七开关u1b和第八开关u2b之间且与所述第二电源线200连接，第五开关u1a和第七开关u1b之间作为还原出的所述直流电源的正输出端、第六开关u2a和第八开关u2b之间作为还原出的所述直流电源的负输出端。优选地，所述第五开关u1a、第八开关u2b均在各自的源极和漏极之间连接电阻r1、r2。
41.本实施例中，所述第五开关u1a和第七开关u1b均为pmos管，第六开关u2a和第八开
关u2b均为nmos管。当然，在其他实施例中，mos管也可以替换为三极管，这些都是本实施例的简单变形，都在本发明的保护范围之内。本实施例的电源还原电路21可以将载波电源信号自动转化为电流方向稳定的直流电源(即直流电源的正极和负极都稳定)，不管第一电源线100、第二电源线200中到底谁正谁负，最终电源还原电路21还原出来的直流电源的正极和负极始终是稳定的，而且该电路压降很小，对电源的电压降比一般的整流桥要更好。
42.本发明的工作原理是：
43.参考图3，当u1的8脚输出为高电平时，u3b、u4a都导通，构成一个完整的回路，直流电源是经u3b流出后经u4a流回。当u1的7脚输出为高电平时，u3a和u4b同时导通，直流电源是经u3a流出后经u4b流回，构成另外一个完整的回路。又因两组回路的电流方向完全相反，因此mcu的7、8脚只需输出一个互为翻转(也即互补)的pwm方波即可，最终输出的载波电源信号中即携带了方波信号。
44.参考图4，假设电源线100的信号为正、电源线200的信号为负，u2b的源极和漏极导通。同理，负电压与正电压共同作用刚好让u1a的源极和漏极导通，由于mos管完全导通近似导线连接，故输出电压等于输入电压，内阻等于pmos管和nmos管的导通阻抗之和。当输入相反时，刚好由另外一组u2a、u1b完全导通构成另外一条回路。本实施例为了防止4个mos管不能形成2个导通2个载止的稳定状态而消耗能量，所加入2个电阻r1、r23，阻值选择为300k,故意破坏平衡，让mos管处于稳定的状态。因为mos管的通通电阻远远小于硅二极管，所以基本上不会损失能量不会发热。
45.通过串联形式的地址线，使灯光单元22之间形成类似手握手的方式便于灯具控制器13识别和侦测灯光单元22排位的顺序，自最靠近灯具控制器13端口的灯光单元22为首位，再依序加一排列。让灯光单元22主动进入地址码比较模式，按顺序对相应灯光单元22进行地址编码，如此可以实现自动写入顺序地址码。
46.本发明不受制于布线或多线带来的困扰，能够在两根电源线上来回传输信号数据，不分极性。很好地解决了发送单元和接收单元之间布线带来的麻烦，特别适合selv电压(selv电压俗称安全特低电压，是指在最不利的情况下对人不会有危险的存在于两个可同时触及的可导电部分间的最高电压)供电设备和模块之间通信。极大地解决有线通信连接布线多的问题，又避免采用无线通信的成本高，电磁干扰多，硬件复杂等一系列问题。同时采用类差分进行信号传递，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。此外，差分信号与传统的一根信号线一根地线(即单端信号)走线的做法相比，还解决了一根信号线或一根电源线跟一根地线走线不具备以下特点：1)抗干扰能力强：干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑意义不产生影响；2)能有效抑制电磁干扰(emi)：由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小；3)时序定位准确：差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1的跳变点。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。
47.总而言之，本发明的灯光电路，具有以下有益效果：本发明进行通信时，发送单元首先将数字信号调制到电源的直流电源中，生成载波电源信号后再发往接收单元，接收单元解调载波电源信号从而得到数字通信信号和直流电源，最终实现供电和通信，另外由于
灯光单元并联，灯光单元通过地址线实现顺次写地址码来区分灯光单元的顺序，如此，本发明可以在三根线的基础上，同时满足供电、信息、地址码的传送，本发明连线少，通信质量可靠，成本低，硬件开销少，便于扩展和维护等优点，特别适合大型的dmx512灯光控制系统。
48.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。