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第19章 通信与协议(4)

(3)灯光场景:DALI协议也可以用于获取电子镇流器或灯的状态。

电子镇流器的状态信息不是自动传到控制器的,而是靠控制器进行周期性的查询。

外围DALI模块的状态信息的获取,便于进行故障诊断,确定适合的镇流器、灯具的维护周期,同时也是实现DALI系统集成到BMS所必需的。

3.3.3DALI协议的数据通信

1)DALI协议的编码

DALI协议采用双向曼切斯特编码。

值“1冶和“0冶表示为两种不同的电平的跃变,从逻辑低电平转换到高电平表示值“1冶,从逻辑高电平转换到低电平表示值“0冶。

DALI协议从主控单元向从控单元发出的指令数据由19bit数据组成。

第1位是起始位,第2到第9位是地址位(这就决定了只能对64个从控单元进行单独编址),第10到第17位是数据,第18、19位为停止位。

DALI协议中从机只有在主控制器查询时,才向主机发送数据。从机向主机发送的数据由11bit数据组成。第1位是起始位,第2到第9位是数据位,第10和第11位是停止位。

只有符合上述指令标准的信息,DALI设备才对其做出反应,否则将不予理睬。

2)DALI协议的指令信息

DALI信息包含地址信息和调光信息。

(1)地址信息

DALI协议允许多种指令,地址部分决定信息是控制哪一个DALI模块,所有的模块都执行带有广播式地址的指令。

单独控制单个从机的个体地址,编址形式为:“0AAAAAAS冶,其中“AAAAAA冶是地址位,编址范围是0~63,可控制64个不同地址,称为短地址。

成组控制的组地址指令,编址形式为“100AAAAS冶,其中“AAAA冶是地址位,编址范围是0~15,最多可进行16组成组控制。

广播命令,编址形式为“1111111S冶,对所控制的所有从机的统一指令。

专用指令,可进行特殊的命令,编码形式为“101CCCCS冶,其中“CCCC冶为指令代码。

(2)调光信息

在DALI信息中,用8bit表示调光的亮度水平。值“00000000冶表示灯没有点亮,DALI协议按对数调节规则决定灯光亮度水平,在最亮和最暗之间包含256级灯光亮度,按对数调光曲线分布。在高亮度具有高增量,低亮度具有低增量。这样,整个调光曲线在人眼里看起来像线性变化。DALI协议确定的灯光亮度水平在0.1%到100%范围内。在DALI协议中,值“00000001冶对应0.1%的亮度水平,值“11111111冶对应100%的亮度水平。

3)典型的DALI信息

(1)调节灯光到某一亮度水平;

(2)设置灯光亮度渐变速度;

(3)调节到某一灯光场景;

(4)询问目前的灯光亮度水平;

(5)询问目前的镇流器/灯的状态。

DALI镇流器的编址是在系统调试时完成的。当系统中某个镇流器发生故障需要更换时,不是简单地换一个新的,而是要使新替换上去的镇流器的地址必须与换下来的镇流器的地址相同。目前还必须借助专用调试设备重新对镇流器地址进行编址,否则会产生地址冲突。

3.3.4DALI技术与模拟技术的比较

根据调光技术的不同,调光照明系统可分为模拟调光系统和数字调光系统。目前最常见的模拟调光系统是1~10V系统。直流1~10V模拟控制器,不具有灵活性,不能在一个系统中控制单盏灯,这使得扩展一个已存在的系统变得非常困难。照明系统从模拟技术向势。

与模拟技术相比,DALI这种数字技术具有明显的优点:

(1)精确调光,包括:

调光范围:理论上0.1%~100%连续平滑调光,可塑造有层次的场景变化,实际产品调光范围在1%~100%,若负载功率较大,调光范围将减小,在10%~100%。

调光对象:对单个灯具有可独立寻址,方便控制与调整。

所有数字式镇流器接收到相同的控制信号。

无干扰调光,信号扰动时仍能安全运行。

(2)舒适调光。采用对数曲线调光,符合人眼对光线的敏感度,因而更加舒适。

(3)数字技术抗干扰,减少误操作。

(4)接线维护更容易。1~10V布线时,极性务必正确,而DALI系统布线时,不用考虑控制线的极性,可减低布线的复杂度和布线的成本。数字参数控制独立于电源电路的连接,使电路设计更简单,连线更方便,更节省成本。

(5)可靠性高,精确控制,具有智能电压保护和温度保护。

(6)DALI系统可以通过DALI/1~10V转换器实现对带有1~10V接口设备的控制,并可通过网关实现与其他总线控制系统的集成。

虽然DALI技术和传统的模拟技术相比有很多优越性,但也存在不少局限:

(1)DALI系统的开发耗资巨大,与目前普及的1~10V调光电子镇流器相比,DALI系统的代价较大,限制了其在市场上的推广。

(2)调试繁琐。因为DALI系统内每一个单元都具有单独的地址,所以灯光的调试工作就显得比较繁琐。

(3)DALI的控制线不是完全的安全低压。DALI的控制线一般采用15V的交流信号,但因为整个接口还有强电的供给,所以它不是双重绝缘的。

(4)控制单元仍然需要电压供给。在目前已经开发的DALI系统中,DALI镇流器不能为控制线路提供12V直流电,控制单元需要附加供电电源才能工作,这就提高了成本,增加了所占空间。

(5)传输速度低。目前的传输速度仅为1200bit/s,这对于应用领域有一定约束。

(6)协议的局限性。目前的DALI系统由于考虑到各厂家产品的相互兼容,没有像Lon Talk协议那样需要进行Lon Mark认证,因此将在今后束缚产品的自由选择。

(7)DALI接口会产生电能损耗。由于DALI控制线一直要求电压供给,因此会产生电能损耗,这种能耗虽然很少,但比1~10V控制和LonWorks协议要高(0.3W)。

3.4DMX512协议

3.4.1DMX512协议概述

随着数字技术及计算机技术的应用和普及,出现了电脑调光台,并先后出现了D54、AVAB、CMX、PMX、EMX等模拟及数字通信协议。由于以上协议标准是各生产厂家各自的协议标准,因而它们之间的兼容性不好,设备之间的相互通用存在问题。后来,为了解决各个厂家设备通用性的问题,美国剧场技术协会(United State Institute for Theatre Technology,USITT)于20世纪80年代初制定了DMX512协议。DMX512协议是一种数字多路复用(Digital Multiplex,DMX)协议。协议制定后,经过修改,USITT于1990年将DMX512协议更规范,形成了DMX512-1990。目前几乎所有的灯光及舞台设备生产厂商都支持此控制协议,作为广泛采用的数字灯光数据协议,DMX512-1990也成为灯光控制的国际标准。

DMX512协议的统一使得各厂家的设备可相互连接,兼容性大大提高。同时,由于DMX512协议采用串行方式传送数字信号,控台与设备之间只要一根信号线即可,大大简化了控制台与设备之间的连接线。

现在,又出现了基于TCP/IP协议的网络化灯光控制系统,它能够实现双向传输、状态报告、远程控制、资源共享等,功能较多,许多厂家正在做这方面的事情,如国内的河东企业等。

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。

DMX512协议适用于一点对多点的主从控制网络系统。根据DMX512数据传输速率的要求以及控制网络分散的特点,其物理层的设计采用RS-485总线收发器,总线用一对双绞线实现调光台与调光器的相接。RS-485总线采用平衡发送和差分接收,接收灵敏度高,而且抗干扰的能力强,信号传输距离可达1000m。如果调光器距离调光台过远,可使用放大器或者信号分离器以增强信号。DMX512协议采用总线型结构,但数据都是从调光台到调光器单向传送,因此不存在各个调光器之间争夺总线使用权而导致信息堵塞的现象。

与其他协议相比,DMX512协议具有以下特点:

(1)信号是基于差分电压进行传输的,抗干扰能力强;(2)采用RS-485总线收发器,信号可以进行长距离传输;(3)数据刷新快,不论调光器的输出是否需要改变,主机都必须发送控制信号,数据帧与数据帧之间的时间小于1s,如果调光器在1s内没有收到新的数据帧,便可知数据已经丢失;(4)实现简单,不需要专门的硬件设备支持。

3.4.2DMX512协议的数据格式

DMX512协议通过在总线上发送数据包来实现对灯光设备的亮度调节。协议对数据包的每一部分的时序都做了极为严格的规定,协议规定数据传输速率是250Kbit/s,一个数据包最多可包含512帧数据。每帧有11位数据,1位低电平起始位,8位数据位(0~255级)和2位高电平停止位。一帧数据包含1个地址的亮度数据,第1帧是第1个地址的数据,第2帧是第2个地址的数据,以此类推,512帧可以传送512个地址的数据。

(1)Break调光台向总线发送一个持续时间至少为88μs的低电平信号,使调光器在接收到该信号后认识到调光台要发送一个数据包,并做好数据接收的准备。这个低电平信号就被称为Break信号。Break信号持续的时间长度极为重要,续的时间如果过低,有些设备就有可检测不到。在实际应用中,该信号持续的时一般在88~200μs之间。

(2)Mark after break:是紧接在Break信号之后的一段高电平时间。这段时间被简称为Mab早期版本的DMX512协议,规定Mab的时间最小宽度是4μs。但对于慢速设备来说,在接收到Break信号之后,有可能来不及接收第1帧数据,而将第2帧数据误作为第1帧的数据进行处理,从而导致动作混乱。现行的DMX512协议对Mab作了修改,规定该段时间的最小宽度为8μs。在实际应用中一般取8~14μs。

(3)Startcode:在Mab时间之后的第1帧数据,通常为0。它表明这一帧为起始帧,下一帧的数据是第1帧有效数据,后面依次对帧进行顺序编号。有些厂家并没有把这一帧的数据值规定为0,而是采用非零值来传送一些附加信息,如模式字节、类型字节、包头信号等,这是厂家对该协议的自行扩展,并不是标准。

(4)Frametime:是指数据帧的时间。数据帧由一个开始位、8个数据位、2个停止位组成。数据位是灯光设备的亮度信息,8位可以代表0~255级亮度。帧都有编号,序号从1到512,帧号与地址号对应。

(5)Mark between frame:是指一帧的结束到下一帧的开始的时间。有些设备有可能比较慢,可以插入这个信号进行延迟,让慢速设备有充足的响应时间。最小值可以为0,最大值为l秒。如果帧之间的时间间隔超过了l秒,接收设备则认为数据帧丢失。DMX512协议并没有规定接收设备检测到数据帧丢失后所应采取的措施。

(6)Break to break time:是一个数据包的开始到下一个数据包开始的时间,即数据的刷新率,最小为1196μs,最大为1s。每个调光器都有固定的地址(1~512),从Startcode之后的第1帧开始,调光器对数据帧进行计数,当计数值与本机的地址相等,就把数据接收过来,否则,放弃接收到的数据,并继续对数据帧进行计数,直到计数值与地址值相等为止。

DMX512协议中,以250Kbit/s速度传送512帧数据所需时间为:88μs+8μs+44μs×(1+512)=22668μs,约23ms。

3.4.3DMX512协议的连接与实现

1)信号的传输及接口

DMX512信号的传输采用平衡传输差模信号方式,这种方式能有效地抑制干扰。因为干扰信号一般是同相(共模)加在信号的正负端上,经差分放大器后,共模信号被相互抵消,滤除了干扰信号,有效地提高了系统的抗干扰能力。DMX512信号的电器接口标准为EIA-485,接插件为5芯的XLR插头、座(也有采用3芯XLR接口的)。

一般DMX设备使用了1、2、3这三个引脚,有时为了实现信号的备份,如一个可控硅箱对应两个调光台(一主一备),则一路信号用2、3引脚,另一路信号用4、5引脚,地线共用。

还有的设备厂家,如换色器的设备生产厂家,把4、5引脚用来给换色器的电机供电(有高压、低压两种),在连接、维修或更换设备时要注意区别。

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