舞台灯光DMX512控制协议详细讲解

设备技术网 时间:2010-3-31单片机的原理如下图-2单片机内部的 ROM 中储存将并行数据转换为规定格式的串行信号的程序编码。在灯 光控制台中加入一块单片机的接口电路板，原灯光控制计算机将输往各调光回路的亮度数 据送到单片机中，单片机将各路亮度数据转换为串行的符合DMX512协议的信号，送往 各调光器。数字传输的计算机灯光控制台框图如图-3。DMX-512标准在通讯的电气标准上采用了EIA-485标准。它采用平衡输出的发送器， 差分输入的接收器。发送器有一对输出线，当一根线上的信号为高电平时另一根线上的信号变为低电平，反之亦然，线之间的信号极性因此翻转过来。这两种状态分别代表“1”和“0”。一般情 况下，传输线路只用两根线，不用公共地线，线路完全平衡。这使得通信双方由于地电位 不同而对通信线路产生的干扰减至最少。再配以先进的专用接口电路，传输的稳定性也相 当好。这在当时是比较先进的。传送数据采用异步的串行格式。调光器的亮度数据被顺序地发送，从调光器1开始，到最 后一个调光器结束，直到第512的最大值。在第一个亮度发出以前，先送出一个复位信号（BREAK）。复位信号（图-4中的）由 持续至少88微秒的一个低电平（2帧时间）或再长的持续时间组成。并且在后面紧跟一个空 的开始代码。接着开始顺序传送亮度信号数据。有效的调光器亮度将是十进制0255,代表调光器的亮度输入控制值由关闭到完全亮 足的线性关系。在复位（BREAK）和开始代码之间有一个标记，它的持续时间（参见图-4中的）将不 少于8微秒并且不大于1秒（所有的DMX512/1990发生器将在BREAK后产生一个不 少于8微秒的标记）。跟在复位后的空字符（所有位都为零）是一个特殊定义的字节。空字符开始表明随后的数 据作为顺序的一路路8位的调光器的亮度信息。每个亮度数据的传输格式如下：第1位为开始位，低电平； 第2到第9位为调光器的亮度数据位，由最低的位到最高的位，正逻辑。 第1 0 ， 1 1位为停止位，高电平。无奇偶位。数据率为每秒250千位（250 kHz）每位时间为4.0微秒每帧时间为 44.0微秒512 个调光器数的最小的更新时间为 22.67毫秒512 个调光器的最大的更改率为 44.11次/秒由此可见，DMX512发出的一串数据，除了开始的复位信号，大于8微秒的标记及一个“0”的数据外，都是一个个亮度数据，最多 512 个。资料资料发送基于一种 8 位异步串行协议，带一个开始位（低电平）和两个停止位（高电 平），没有奇偶校验。因此一个资料帧有 11 位元。由于每一位的宽度是 4 祍，所以发送 一个帧需要 44 祍的时间。如果线路要发送一个连续的数据流，则会产生 250000b/s 的 资料率，或称 250k 波特。8 位字对于每个调光器允许以 0 到 255 的范围来发送 256 个独立级别。开始位和停止位用于使发送器和接收器同步。资料线通常处于高电平；实际上它空闲 时会处于高电平状态（更多的是处于这种状态）。开始位的出现促使接收器投入工作，后 面的 8 位元资料被扫描且被译码（希望如此）。然后接收器等待停止位到来，停止位过后 会再次出现这个过程。我们需要停止位有两个理由：让接收器有充分的时间处理输入的资 料；让线路处于高电平的状态，这样下一个“开始”才能被检测到。图1 描述了一个帧里 面的位电平，这个帧中含有资料“0”和“255”。迄今为止已经解释得很清楚了，但是还没有完，DMX512最多可支持512个调光器， 现在我们只看到了第 1 个，那么怎样为所有的调光器处理资料呢？答案是简单的，只是不 断重复这个过程！好的，就是那么简单。不过现在的情况可不是那么简单了，我们在段上取得了一个数据流，但是没有办法辨别哪一帧是属于哪一个调光器的。看“DMX包”部分的提示。DMX512 “包”DMX512 包是这个标准的核心，它由一个包含深层同步信息的帧集合构成，其中的 深层信息也就是一个“Break”和一个“Mark-after-break”。就是这个信息使接收器能 够检测到一个帧的开始，因此能够处理接收到的资料。帧定时检验显示了线路处于低电平的最长时间是4衽（开始位）+8X 4衽（资料位）=36 衽，但是一个“Break”包含至少88衽的“低电平”，这两者的不同很容易被检测到，可 用于调光器的同步。“ Mark-after-break ” 在 线 路 上 是 “ 高 ” 状 态 ， 至 少 8 衽 时 间 的 宽 度 ， “Mark-after-break”是必需的，因为这样才能检测到“Break”，否则帧的开始位会紧 随“Break”使线路一直陷入低电平状态。此时将会非常混乱！ 一个描述“包”的图2 有助于说明以上问题。“0”数值表示后面的帧包含调光器级别的信息。另外的255 个代码在规范中没有定 义，但是一些制造商却使用了其它代码来发送产品的特殊信息。一个接收了非零开始码的 调光器“将会”忽略包余下的部分，不过要小心，它不会总被检验到！定时总结（表2）最小最大Break88ysl秒Mark-after-break8ysl 秒Inter-frame-timeOysl 秒“Inter-frame-time ”用于减低资料率。有些调光器不能处理高速运行的资料，或者 在控制台处理其它任务的同时用于“插入”发送过程。它的数值可以在 O 到 l 秒之间。规范中对于定时设置了一些限制。从表 2 可以看出，资料率有很大的扩展性，但是要注意的是，不允许线路状态持续处 于“高”或“低”状态超过一秒的时间，而且此时应该考虑出错的条件。差不多 DMX512 系统中出现的所有误操作都是源于系统知识的缺乏。引起问题的一 个地方是在信号分离中。记住，系统以段终结的方式运行。简单地把线路分离（看上去是 符合逻辑的）会由于欧姆量的反复变化而不能工作。这样做容易导致信号的破坏。解决办法是使用“分路器”和“中继器”，通电设备“监听”段上的资料，然后进行 广播，或根据需要在下一个段上“重现”。DMX512 控制协议由来简述： 可控硅调光器诞生，开创了计算机灯光控制的时代。随着计算机的升级换代，灯光控 制台也取得迅速发展。随着可控硅技术的进步，新型抗干扰扼流圈的研制成功，可控硅调光器进入了演播厅、 宾馆、主题公园。硅元件体积缩小，耗电减少，成本降低，舞台、演播厅使用的可控硅数 量成倍增长，一套系统由开始时的几十路发展到今天的几千路。演出样式的多样，演出规 模的扩大，使灯光控制的形式也发生根本性的变化。 计算机灯光控制系统由模拟传输到 DMX 数字传输进入到当今的网络系统传输。回顾演出 灯光控制设备发展的历程，对正确评价当前的各种控制系统及展望其未来的发展将不无益 处。一.模拟传输时代计算机发展经历过电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路等几个时代，计算机 灯光控制系统开始于小规模集成电路计算机时代（六十年代），而真正成批的生产和使用 则在大规模集成电路计算机时代即微机时代（七十年代）开始。大规模集成电路的微型计算机解决了小型化和稳定性的问题，当时的剧场或演播厅中 所用可控硅调光回路数一般只有几十路，控制信号使用直流模拟电压（例如常用的 0 到 10 伏）。计算机内部处理的是二进制的数字，对每一个调光回路，计算机根据原先存储的 数据和现场控制的信息，计算出该回路的亮度数据，一般用八位二进制数存储单元（1个字节）表示亮度等级，十进制数字表示为 0到 255。把各回路的亮度数据（0 到255共256 个数字等级）变换为控制可控硅调光器的0 到10 伏的控制电压，计算机输出接口电路要解决这一由数字信号到模拟电压的转换并分配到每一路可控硅调光器的控制信号线上。这一任务由数模转换电路和多路电子开关来解决。模拟传输的计算机灯光控制台框图如图-1。虚线内为控制台，输出接口电路由D/A控 制器和电子多路开关组成，每路调光器一根控制线，加上公共的“接地线”。控制台引出 许多控制线，接到可控硅调光柜。这是一个多线制的时代，大量的控制线一般用多条多芯电缆来连接。由于传输直流信号，传输的稳定性和抗干扰性较好；但当控制台与调光柜距离较远，或调光器分散安置的情况下，布线比较麻烦，不够灵活。AB转换7模拟传输方式使计算机技术正式进入灯光控制领域，出现了大量各种各样的计算机灯 光控制台，各种控制功能登台亮相，取长补短，不断改进，为计算机灯光控制技术的成熟 完善和普及应用起到了不可替代的重要作用。二DMX时代随着舞台灯光技术的发展，调光回路数的增加，剧场中的灯光控制室位置移到观众厅 的后部，以便于对舞台灯光的控制，而调光柜则宜安置于观众厅前方离舞台较近的地方， 以便于供电。灯光回路数的增加（二百路以上），导致信号线的增加，前面所介绍的一路 一线，传送模拟信号的方式，设备的安装和使用都不方便。尤其随着演出形式的多样化， 需要控制台的位置也能动一下（如暂时移到观众厅中，甚至舞台上），更有流动演出或体 育场式的演出场合，控制台安放在现场操作，流动式调光硅箱需分散安放，更需信号线的 减少。上述传送模拟信号的多芯电缆方式显得很不方便了。二十世纪八十年代随着微型计算机技术的发展，一种由一块芯片集成了 CPU、片内 RAM、片内ROM、并行I/O （输入/输出）接口、串行1/O接口的单片机出现了，用单 片机制作的智能化接口电路，将并行输出的数据转换为在两根线上串行传送的信号变得容 易实现；在接收端将串行传送的信号数据接收后再转换为并行的数据也同样简单。串行传 送的总线也经过长期的改进，出现了传送速度高，距离远，可靠性高，抗干扰能力强的标 准和相应的模块。当时国际上几个主要的灯光控制系统制造商推出了在计算机灯光控制台 与可控硅调光柜之间只用两根线（或稍多几根线）串行数字传输（或数字加模拟都串行传 输）的解决方案。如SMX，AMX192, CMX，PMX等在传输速度、数据格式等都互不 兼容的传送方式。虽然串行传送方式具有信号线少而连接方便的问题，但是无法解决各制 造商的设备之间不能互连的问题。为此在计算机技术发达的美国一个并非正式的标准制定者美国剧场技术协会（United State Institute for Theatre Technology，Inc）于 1986 年 8 月提出了一个 能在一对线上传送512路可控硅调光亮度信息的DMX512标准，这是一个关于计算机控 制台和调光器之间数据的数字传输标准（后又在1990年4月进行了局部的修订）。提出 DMX512 方案的美国剧场技术协会虽然不是一个正式的标准制定机构，但是由 于DMX512具有广泛的适用性，很快为全世界的制造商和用户采用，成为一个事实上的 国际标准，十多年来，直至今天，几乎所有的灯光控制台和受控的设备都兼容了 DMX512 的协议标准。因为有了这一个统一的标准，不同的制造商之间的设备，只要遵循这一协议，都能互 连控制。两线制的时代真正的到来了。单片机的原理如下图-2单片机内部的 ROM 中储存将并行数据转换为规定格式的串行信号的程序编码。在灯 光控制台中加入一块单片机的接口电路板，原灯光控制计算机将输往各调光回路的亮度数 据送到单片机中，单片机将各路亮度数据转换为串行的符合 DMX512 协议的信号，送往 各调光器。数字传输的计算机灯光控制台框图如图-3。DMX-512标准在通讯的电气标准上采用了EIA-485标准。它采用平衡输出的发送器， 差分输入的接收器。发送器有一对输出线，当一根线上的信号为高电平时另一根线上的信号变为低电平， 反之亦然，线之间的信号极性因此翻转过来。这两种状态分别代表“1”和“0”。一般情 况下，传输线路只用两根线，不用公共地线，线路完全平衡。这使得通信双方由于地电位 不同而对通信线路产生的干扰减至最少。再配以先进的专用接口电路，传输的稳定性也相 当好。这在当时是比较先进的。传送数据采用异步的串行格式。调光器的亮度数据被顺序地发送，从调光器 1 开始， 到最后一个调光器结束，直到第512的最大值。在第一个亮度发出以前，先送出一个复位信号（BREAK）。复位信号（图-4中的）由 持续至少88微秒的一个低电平（2帧时间）或再长的持续时间组成。并且在后面紧跟一个空 的开始代码。接着开始顺序传送亮度信号数据。有效的调光器亮度将是十进制0255,代表调光器的亮度输入控制值由关闭到完全亮 足的线性关系。在复位（BREAK）和开始代码之间有一个标记，它的持续时间（参见图-4中的）将不 少于8微秒并且不大于1秒（所有的DMX512/1990发生器将在BREAK后产生一个不 少于8微秒的标记）。跟在复位后的空字符（所有位都为零）是一个特殊定义的字节。空字符开始表明随后的数 据作为顺序的一路路8位的调光器的亮度信息。每个亮度数据的传输格式如下：第1位为开始位，低电平； 第2到第9位为调光器的亮度数据位，由最低的位到最高的位，正逻辑。 第1 0 ， 1 1位为停止位，高电平。无奇偶位。数据率为每秒250千位（250 kHz）每位时间为4.0微秒每帧时间为44.0微秒512个调光器数的最小的更新时间为22.67毫秒512个调光器的最大的更改率为44.11次/秒由此可见，DMX512发出的一串数据，除了开始的复位信号，大于8微秒的标记及一个“0”的数据外，都是一个个亮度数据，最多512个。在图-4表示的DMX512数据格式中，表示无信号时或两个数据包之间线路保持高 电平的时间；为复位（BREAK）信号；为大于等于8微秒的标记；为串行传送的 一个字节的亮度数据；为低电平的开始位；为最低位；为最高位；为两个高电平 的停止位；为两个字节的亮度数据之间可允许的高电平的间隔时间。图- 4DMX512所采用的EIA-485的电气标准是一个总线型的传输线，任何一个接收设备只要接在这两根传输线上，便可接收控制台发出的数据信号。采用DMX512协议标准传送灯光亮度信号，在接收端，数字传输可控硅调光柜需附加一个解码器，解码器的框图如图-5：DMX512信号单片机D/A回路編号2#N#1#到调一接收 DMX512 信号并从中取出本身需要的亮度数据的设备称为解码器，解码器将在 接收过程进行计数，取出本身需要的数据。例如对于 96 路的调光柜，第一个调光柜将接 收第1至96个数据；第二个调光柜将接收第97至192个数据。为了让每个调光柜 的解码器知道本身的编号，每个解码器上都有一个编码开关，使用前必须拨到规定的数字， 解码器中的 CPU 在每次开机时会读一次这个开关，便知道将从第几个数据开始取用。DMX512 不仅解决了一对双绞线传输所有可控硅调光回路亮度信息的问题，还使不 同厂商生产的控制台与调光器得以互联。后来开发的许多效果灯具或灯具的附件如：电脑灯、换色器等等，都把控制逻辑凑合 到 0 到 255 的范围，即可通过 DMX512 线路传输控制信号。一个计算机灯光控制台可 同时控制调光器、电脑灯和换色器灯，减少了演出工作人员，提高了演出效果。三. 网络时代1、灯光控制设备的网络化趋势自从 DMX512 被推出以来，世界变化太大了，对控制信号的需要也更大了，对于未来的要求，DMX512提供的能力，已经感到太有限了。灯光回路数更多（一千路以上， 许多新工程有几千台控制的设备），控制点的增加，除了调光器，换色器、频闪灯、电脑 灯的各种动作以及音响设备，一些自动化的舞台设备，纷纷加入被控制的行列，512 路的 控制总数，很快捉襟见肘。另外，反馈信号的需要，更多的控制点的要求，备份控制台的 使用都要求传输信号的信息类型和信息数量大大增加，这些都对这一对信号线提出了改进 的 要 求 。 USITT 已 不 能 胜 任 这 一 任 务 ， 把 DMX512 的 维 护 转 移 了 到 ESTA（Entertainment Services and Technology Association一娱乐服务和技术协 会）。ESTA是代表北美的娱乐技术行业的一个非盈利性的行业协会，从事行业有关领域的 事务，如技术标准的制订，客户服务，设备质量，行业惯例，保险，及信用报告等。ESTA 接手 DMX512 后，组织了专门的小组，负责对 DMX512 的修改和补充，规范化，以适 应越来越多的修改要求，使成为一个真正的为国际标准化组织正式承认的技术标准，并命 名为DMX512-A （如增加一对原来备用的线，作为双向传输之用；将开始的一个空字符 规定了不同的编码，给其后的一个数据包定义为不同的意义等）。但他们也有一个原则， 就是要向前兼容原来的所有 DMX512 的设备，以避免资源的浪费，以及避免被大量原来 使用 DMX512 设备的客户所抵制。因此修改只能是有限的。不能给予太多的期望。因为 DMX512不是在现代网络技术标准下开发的，DMX512难以在更大、更复杂的系统中应 用，否则要付出昂贵的代价，因此要想从根本上解决问题几乎是没有可能，只能是部分的 改进，但是在中小型的控制系统中，或作为局部的系统控制，新的DMX512-A将在作出 脱胎换骨的更新后与下面提到的网络标准同时长期共存。在这信息化的时代，网络技术迅速在全世界普及。网络技术是计算机技术与现代通信 技术相互渗透又密切结合的产物，计算机技术应用到通信系统，大大提高了通信系统的性 能；而借助于计算机的通信技术又为各计算机之间信息的快速传输、资源共享以及协调合 作提供了必要的手段。两者结合的网络技术，在全世界发展迅速，使计算机技术和通信技 术都进入了一个崭新的发展阶段。目前因特网将整个地球相互连接起来。局域网在技术上 更加成熟并且普及。领舞台技术之先的灯光控制也同样进入了一个网络时代。在二十世纪九十年代，国际上几个规模较大的灯光控制设备制造商开始考虑用局域网 的技术引入灯光控制系统。对网络技术的认识和运用是逐步深入的，开始，只是在控制台 的计算机中加入了网络接口，从控制台到各被控点用网络线相连，控制台输出网络信号， 以解决DMX512在一条线路上只能传输512路亮度信号的限制，利用网络技术的大容量、 高速度，一条线路上可同时传输几条DMX512的信号。到被控点，用解码设备，将网络 信号转换为DMX512的信号。网络功能突破了 DMX512对512路的限制，而且网络功 能中增加的内容可用来传输其它的控制信息，使用多个控制台多点控制、分级控制、备份 控制等等要求有了实现的可能，另外利用网络信号的双向传输功能，将调光器等被控设备 的状态信息及时反馈到控制台也有了可能性。当然，早期的应用规模不大。各制造商采用 的网络类型五花八门，网络功能应用的水平参差不齐。笔者曾经为一个有六个大型互动式展厅的展馆设计一个灯光控制系统，由于总设计要 求展厅中一个个展项要象一个个小型的舞台，动态演示不同的灯光效果。我们选用了一套 舞台灯光控制系统，每个展厅有一个灯光控制室，每个控制室有一台灯光控制台，一到二 个调光柜，组成一个子系统；整个展馆有一个总控制室，总控制室中有一台主控制台和一 台备份控制台。所有控制台用一个网络相互连接（如图-6）。图-6在这样一个控制系统中，各控制台可以独立调试、控制各展区的灯光效果，编排、存 储灯光场景；主控制台既可以对各控制台学习、备份，也可以对各展区控制台进行统一控 制。为保证系统的可靠性，灯光控制中常用备份控制台。传统的备份方式通常是将两个相 同的调光台放在一起同时工作，两者大者优先，当主控台失效时，再通过副控台进行控制， 由于主、备份台之间没有相互学习功能，通常在演出前要将演出效果编入主、备份台中， 这样既浪费资源，又达不到最佳的跟踪备份效果。采用网络化数字调光技术，将主控台 Strand550I 及各个展区的分控台 Strand510I 连接成一个灯光控制网络，在网络中各控 制台之间相互学习、相互备份，当六个展区中任何一个分控台失效或几个分控台万一同时 失效时，主控台 550i 会自动跟进控制，从而保障系统控制的正常进行；备份台 510I 又 对主控台 550i 进行跟踪备份，作为第三级保险，即当主控台也失效时，备份台 510I 会 自动跟进输出，以保整个系统万无一失。2、ESTA组织的ACN网络协议和标准由于各制造商采用的网络类型不同，网络功能应用的水平参差不齐。更谈不上相互设 备间的兼容互连了。前述北美的娱乐服务和技术协会(ESTA)注意到这个问题，并计划制 定一个统一的标准ACN (Advanced Control Network.一先进控制网络)。全套 ACN 的体系结构由一系列子协议组成，类似于 TCP/IP 的方法它还涵盖 IP，UDP, SNMP，等等。按照国际标准化组织有关网络分层的原则，ACN的分层结构如下表：APPLICATIONACNotherDMPDDLNMPSDTIPUDP（TCP）IPHARDWAREDMP一Device Management Protocol 设备管理协议）NMP一Network Management Protocol （网络管理协议）SDT一Session Data Transport 会话数据传输）DDL一Device Description Language（设备描述语言）IP一Internet Protocol （网络互连协议）TCP一Transmission Control Protocol（传输控制协议）UDP一User Datagram Protocol（用户数据报协议）可见ACN是以TCP/IP为基础，定义在TCP/IP与应用层之间的一系列子协议组。其中会话数据传输协议(SDT)是为了与UDP配合保证传输的可靠性。利用设备描述语言(DDL)的设备管理协议(DMP).