专利名称：一种实现从以太网到dmx512网络的转换设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及景观照明、舞台灯光控制领域，特别涉及一种基于32位高性能单 片机的以太网/DMX512网关，从而实现从以太网到DMX512网络的转换。
技术背景随着人们审美水平的不断提高，以及电子技术、控制技术的不断发展，景观照明和 舞台灯光的表现形式越来越复杂，越来越生动。现在的景观照明和舞台灯光所要控制的灯 光的点数和类型都非常多，有时可能会遇到上万个点和很多种不同的灯光设备。在很多复 杂一些的灯光控制系统(通称彩灯控制系统)中，采用单一的控制器已无法实现所需的控 制效果，因而对于复杂的大规模彩灯控制，常采用分层网络化的分布式控制系统来实现对 大量灯光点的实时控制。在网络化的灯光及舞台设备控制系统中，为了解决各厂家设备兼容性问题，美国 剧场技术协会(USITT)制定了 DMX512协议标准。由于该协议简单实用，目前几乎所有的灯 光及舞台设备生产厂商都支持该控制协议，使之成为灯光控制的国际标准。DMX512协议是一点对多点的主从式灯光控制系统，主控制器向总线发送控制时 序，总线上的其他从灯光设备接收总线数据，提取其对应通道的数据，完成控制信号的接 收。其物理层信号通过EIA-485有线线缆进行传输，控制信号数据包的传输通过异步通信 的方式进行。一个DMX512数据包包含起始码和512个数据帧。数据帧内包含1个起始位 (低电平)、8个位数据和2个停止位(高电平)，没有奇偶校验。DMX512的信号数据传输率 为250kbps，数据帧每位宽度为4 μ s，发送一帧需要44 μ S。一个数据帧代表了一路控制通 道，因此该协议支持512路控制通道。一般舞台灯光设备可以同时接收多路通道控制。接收 的通道数越多，接收的控制数据量也越大，灯光的表现能力也就越强。DMX512数据包的传输 要符合一定的格式和时序要求。主要包含1个至少88 μ s的低电平输出起始标志(Break)、 起始码帧、512个数据帧和最后的数据包结束标志(高电平)。DMX512协议对发送和接收的 时序要求较为严格，控制器和接收器只有满足DMX512数据包的时序要求，才能正常完成主 从机之间的通信。所以实现DMX512的控制器和接收器常需要采用嵌入式系统实现，以保证 传输时序的可靠性。在大规模的分布式彩灯控制网中，控制的核心是一个主控制器或者几个主控制 器，主控制器把每个控制点的动作信息实时发送给每个控制点，数据传输是通过网络进行 的。在这样的系统中，主控器需要处理大量的媒体数据，并且需要实时传输给个控制点，因 此主控器常采用PC机或者专门的媒体处理系统实现，传输网络常采用以太网；与之相对 应，各控制点采用DMX512网络实现数据传输。这实际上在系统中存在两种不同的网络，故 在以太网和DMX512网之间需要一种实现从以太网到DMX512网络的转换设备，即网关
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种实现从以太网到DMX512网络的转换设备。该设备可以将一路10/100M自适应以太网信号转换为4路独立隔离输出的DMX512网信号。具体而言，该转换设备包括微处理器、模式选择开关、状态指示灯LED、 EEPROM(ElectricalIy Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存 储器)、以太网通信链路结构以及复数条DMX512网通信链路结构；所述模式选择开关通过 微处理器上的通用IO 口与微处理器连接；所述状态指示灯LED通过微处理器上的通用IO 口与微处理器连接；所述EEPROM通过微处理器上的I2C接口与微处理器连接；其特征在于，所述微处理器中设有以太网控制器，该以太网控制器通过依次连接与以太网物理 层芯片、以太网变压器以及RJ45接口从而构成以太网链路结构；所述微处理器中通过自设的UART接口，依次连接高速光耦、RS485芯片、防雷保护 电路以及卡侬头接口从而构成DMX512网通信链路结构。上述方案中，所述转换设备中的微处理器通过自设的UART接口，依次连接RS232 芯片以及DB9接口从而构成连接计算机的PC链路结构。上述方案中，所述转换设备中的微处理器采用以ARM7为核心的LPC2300微处理 器，该微处理器带有10/100M以太网控制器(以太网数据链路层控制器)，内部还带有的4 个UART接口(通用异步传输口)，每个UART接口可以用来组建一条DMX512网通信链路结 构。上述方案中，所述转换设备通过设置两个状态指示灯LED，配合模式选择开关的控 制，从而显示该转换设备是处于配置模式或正常工作模式。本实用新型通过标准串口可对以太网通讯参数以及4路DMX512输出进行配置，可 实现4路冗余输出、独立输出、2路编组输出等各种方式，具有一定的网管功能。该网关设备 属于嵌入式系统，稳定可靠，实时性好。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。图1为本实用新型所述转换设备(以太网/DMX512网关)的结构框图。图2为四级雷电保护示意图。图3为本实用新型涉及的协议栈分层结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下 面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。如图1所示，本实用新型所述转换设备采用以ARM7为核心的LPC2300系列微处理 器实现，采用其内部带有的10/100M以太网数据链路层控制器，实现以太网端口，以及内部 带有的4个功能丰富带有缓冲的UART接口(通用异步传输口)，实现4路DMX512通信链路接口。另外，由于设备的核心为LPC2300系列微处理器，其内部的10/100M自适应以太网 控制器通过RMII (精简媒体连接接口 )接口与10/100M自适应以太网物理层芯片连接，以 太网物理层芯片再通过连接以太网变压器和RJ45接口，将以太网信号隔离输出。LPC2300微处理器内部有4个独立的UART接口，由UART接口产生DMX512连接接
4口。每个UART接口首先通过高速光耦进行信号隔离，再接入RS485芯片生成差分输出信号， 然后通过防雷保护电路。由于在景观照明及舞台灯光控制行业常用卡侬头连接器作为设备的接口形式，所 以DMX512信号最终接至卡侬头连接器输出。由于DMX512协议规定DMX512信号传输为单向主从传输，故只需要信号向输出的 方向单向传输。高速光耦将DMX512输出信号与设备其他部分隔离开，并且每路DMX512输 出采用各自单独的隔离电源输出端供电，所以每路DMX512信号都是独立的，相互之间也互 相隔离。这样，通讯线路上的干扰和危险因素就可以不影响到设备的其他部分，保证设备的 可靠运行。第一个UART接口 UARTl除了输出DMX512信号，也作为标准串口的连接接口，接 口信号通过RS232芯片进行电平转换后，以DB9接口形式接出。为方便与PC串口连接，DB9 接口采用母头，发送和接收引脚与PC机正好对应，通过简单的直连DB9延长电缆即可连接。 在设备处于配置模式下，UARTl用作配置接口，与PC机相连进行人机交互；而在设备处于工 作模式下，UARTl用作DMX512的第一路输出，正常输出DMX512数据。其他UART在任何模 式下均用于DMX512输出。为了存储设备配置的配置参数，如以太网通讯参数以及DMX512端口的配置情况， 设备在LPC2300微处理器外通过I2C接口扩展了 EEPR0M。此外，设置了一个模式选择开关， 用以控制设备处于配置模式或正常工作模式，设置了两个状态显示LED用来指示设备当前 所处的模式。这都是同过微处理的通用IO 口实现的连接。设备采用7-40V单电源供电，内部通过开关电源芯片产生5V电压，再由5V电压通 过三端稳压芯片产生3. 3V内部芯片工作电压。5V电压通过4个隔离电源，分别产生4个相 互独立的5V隔离输出给4路DMX512外电路供电。如图2所示，由于在景观照明等场合，DMX512网络常有部分暴露在建筑物的外部， 需要考虑雷电对设备造成的影响，同时在实际施工时常有将电源线和通讯线接错的人为错 误，这样在每一路DMX512输出线路上加入了防雷保护电路。这里的防雷保护包括4级保护。其中，最外面为玻璃放电管保护，玻璃放电管串接在差分线路以及每条线路对地 之间，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护，当雷电进入线路时，玻璃放电管首先通 过放电吸收大部分雷电能量，浪涌吸收能量大的特性可以保证泄放过程中防雷管自身不被 损坏。泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，此电压幅值随电路 和器件选择而有所不同，在数十伏到数百伏之间，脉宽在数十纳秒到数百纳秒之间。由于脉 宽窄，该尖峰电压的能量并不大。接下来，保护电路采用快速恢复保险丝和功率电阻组成， 大的浪涌能量或者电源能量，可使得线路瞬间电流很大，快速恢复保险丝呈现高阻吸收能 量阻断线路，在快速恢复保险丝动作前限流由功率电阻完成。第三级保护使用TVS管，其作 用是吸收上述的尖峰电压，将电压可靠地箝位在安全范围内，同样提供线线间和线地间的 保护。最后一级保护即光耦的隔离，这实现外部通讯与设备内部的2500V电气隔离，从而让 内部设备可不受到影响。对于该设备的软件上，在以太网的MAC层上采用了 TCP/IP协议栈，支持ARP、IP, I CMP, TCP和UDP等TCP/IP协议，同时在以太网MAC层上自定义了另一个专门用于进行直 接MAC层传输DMX512数据的协议栈，该协议栈与TCP/IP协议栈并列于MAC层上。这样，该 设备可完成利用标准TCP/IP的UDP协议传输DMX512数据，或者直接采用以太网数据帧传输DMX512数据两种协议，以实现不同的需求。本设备协议栈分层结构如图3所示。设备的软件采用典型的前后台形式结构，没有采用操作系统。整体为一个循环结 构，从检测模式选择开关状态开始，1为正常工作模式，0为参数配置模式。如果模式选择相对于前一次没有发生变化，则执行原来模式下的任务。如果模式 选择变化了，则首先执行所要切换到的模式的重新初始化程序，并驱动LED指示灯进行相 应的模式指示，然后执行所切换到模式下的任务。正常工作模式下的任务从查询以太网上是否收到数据包开始，如果收到了数据包 则分辨数据包是否为TCP/IP的数据包，是则进入TCP/IP协议栈进行处理，不是则分辨分辨 数据包是否为自定义的扩展协议数据包，是则以扩展协议进行解析。如果都不是则丢弃该 数据包。当对TCP/IP数据包进行处理时，根据不同的报文产生相应的应答报文由以太网发 送出，或执行相应的动作。当接收到的以UDP方式传输的DMX512数据后，对数据进行解析， 得到4路DMX512的传输数据，更新各路传输缓冲区的内容，当收到以直接MAC方式传输的 DMX512数据后，同样对数据进行解析，得到4路DMX512的传输数据，更新各路传输缓冲区的 内容。处理完以太网协议部分后，再进行各路DMX512数据的发送，由于UART端口以一个字 节为单位进行发送，为了保证4路数据的同步发送，各路UART每次发送一个字节。发送每 个字节时，对各UART端口分别写好要发送的字节数据后，统一开始发送。参数配置模式下的任务为接收来自串口的人机交互命令，从而执行相应动作。人 机交互主要完成以太网参数以及DMX512端口的配置。以太网参数包括MAC地址、IP地址、 子网掩码、报文通讯端口等，DMX512端口的配置包括4路冗余输出、独立输出、2路编组输出 等各种方式，配置的参数都保存在设备的EEPROM中，用以在正常工作模式重新初始化时读 取使用。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求一种实现从以太网到DMX512网络的转换设备，包括微处理器、模式选择开关、状态指示灯LED、EEPROM、以太网通信链路结构以及复数条DMX512网通信链路结构；所述模式选择开关通过微处理器上的通用IO口与微处理器连接；所述状态指示灯LED通过微处理器上的通用IO口与微处理器连接；所述EEPROM通过微处理器上的I2C接口与微处理器连接；其特征在于，所述微处理器中设有以太网控制器，该以太网控制器通过依次连接与以太网物理层芯片、以太网变压器以及RJ45接口从而构成以太网链路结构；所述微处理器中通过自设的UART接口，依次连接高速光耦、RS485芯片、防雷保护电路以及卡侬头接口从而构成DMX512网通信链路结构。
2.根据权利要求1的转换设备，其特征在于，所述转换设备中的微处理器通过自设的 UART接口，依次连接RS232芯片以及DB9接口从而构成连接计算机的PC链路结构。
3.根据权利要求1的转换设备，其特征在于，所述转换设备中的微处理器采用以ARM7 为核心的LPC2300微处理器，该微处理器带有10/100M以太网控制器，内部还带有的4个 UART接口，每个UART接口可以用来组建一条DMX512网通信链路结构。
4.根据权利要求1的转换设备，其特征在于，所述转换设备通过设置两个状态指示灯 LED，配合模式选择开关的控制，从而显示该转换设备是处于配置模式或正常工作模式。
专利摘要本实用新型公开了一种实现从以太网到DMX512网络的转换设备，该设备包括微处理器、模式选择开关、状态指示灯LED、EEPROM、以太网通信链路结构以及复数条DMX512网通信链路结构；所述模式选择开关通过微处理器上的通用IO口与微处理器连接；所述状态指示灯LED通过微处理器上的通用IO口与微处理器连接；所述EEPROM通过微处理器上的I2C接口与微处理器连接。所述微处理器中设有以太网控制器，该以太网控制器通过依次连接与以太网物理层芯片、以太网变压器以及RJ45接口从而构成以太网链路结构；所述微处理器中通过自设的UART接口，依次连接高速光耦、RS485芯片、防雷保护电路以及卡侬头接口从而构成DMX512网通信链路结构。
文档编号H04L12/66GK201682520SQ201020191239
公开日2010年12月22日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者刘志强, 陆斌泉, 陈巨涛 申请人:上海海事大学