基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)研究

馬偉

摘要：51單片機(jī)主要應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)光信息，基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光系統(tǒng)借助傳輸調(diào)光命令可以完成對(duì)現(xiàn)場燈光的控制，并回傳燈具工作狀態(tài)，在本機(jī)LCD主界面中完成信息顯示。對(duì)網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了闡述，著重介紹了系統(tǒng)調(diào)光命令的實(shí)現(xiàn)過程，同時(shí)對(duì)51單片機(jī)及嵌入式計(jì)算機(jī)等進(jìn)行了研究，綜合性地交代了應(yīng)用程序如何通過網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；嵌入式計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161070

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）005-0113-02

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用不斷深入，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展速度與成熟度也進(jìn)一步加強(qiáng)。電視中心、大劇場以及體育館等都需要借助網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的管理與控制操作，利用這樣的平臺(tái)，采用網(wǎng)線、光纖等取代傳統(tǒng)意義上的DMX信號(hào)線，能夠在很大程度上簡化布線設(shè)置，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)燈光的控制與管理，解決了多路DMX的控制安全性問題，也能夠?qū)ξ枧_(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及吊掛系統(tǒng)等的安全傳輸產(chǎn)生積極影響。

1 網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)構(gòu)成分析

網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)包括5個(gè)主要構(gòu)成部分，網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜、調(diào)光臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)智能燈具、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端。其中，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)主要為工業(yè)控制機(jī)，主要組件為嵌入式計(jì)算機(jī)。網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)能夠通過路由器與因特網(wǎng)直接連接，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)基于HUB連接為局域網(wǎng)，主要采用TCP/IP協(xié)議，運(yùn)輸層為UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層為IP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層為IEEE802.3。

網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)的51單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)光臺(tái)以及操縱桿等單元數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，通過信息處理后進(jìn)行調(diào)光數(shù)據(jù)模塊操作，直接傳輸?shù)絇C104。完成第一步傳送后PC104再將調(diào)光命令數(shù)據(jù)直接傳送到網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行廣播。如圖1所示，全部網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜PC104均接受調(diào)光命令，通過并口傳輸?shù)奖緳C(jī)51單片機(jī)，再通過51單片機(jī)發(fā)出DMX512標(biāo)注信號(hào)，以有效對(duì)燈具進(jìn)行發(fā)光控制。除了這種控制形式，可以直接通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)智能燈具進(jìn)行發(fā)光控制，并且網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端也能夠?qū)艟哌M(jìn)行相關(guān)控制，發(fā)出調(diào)光命令。這種控制形式能夠?yàn)楝F(xiàn)場工作人員提供較大便利，便于工作人員根據(jù)工作需求進(jìn)行移動(dòng)控制以及臨時(shí)燈光調(diào)試等。

燈具發(fā)光情況除了在本機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜進(jìn)行信息顯示外，其相關(guān)狀態(tài)信息能夠直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)，或?qū)⑿畔鬏數(shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)或移動(dòng)終端上。若系統(tǒng)沒有直接顯示相關(guān)信息，或系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常，將通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)或監(jiān)控主機(jī)或移動(dòng)終端進(jìn)行報(bào)警；一旦出現(xiàn)故障信息或異常情況，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)的短信貓將直接將詳細(xì)信息發(fā)送給工作人員。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜相關(guān)參數(shù)、回路調(diào)光數(shù)據(jù)、調(diào)光曲線參數(shù)以及相關(guān)報(bào)警參數(shù)主要通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)的設(shè)置，通過網(wǎng)絡(luò)廣播形式直接將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜，工作人員能夠直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜進(jìn)行操作，可通過觸摸屏數(shù)據(jù)更改等形式進(jìn)行參數(shù)調(diào)整或重置。

為了切實(shí)保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要應(yīng)用RS485總線作為系統(tǒng)的備用通道，應(yīng)用目的在于當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，能夠直接運(yùn)行臨時(shí)RS485總線傳輸，保證調(diào)光命令順利進(jìn)行。直至相關(guān)工作暫時(shí)停止，并等到以太網(wǎng)正?；謴?fù)工作后再將臨時(shí)RS485總線切換到正常方式下。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)相關(guān)應(yīng)用程序主要是通過DOS操作系統(tǒng)Turboc3.0開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜PC104程序也是基于Turboc3.0開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜PC104的系統(tǒng)程序開發(fā)不同，主要是在Windows 7操作系統(tǒng)下應(yīng)用Visual C++6.0開發(fā)。

2 基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光控制命令發(fā)布

通常情況下，若調(diào)光命令發(fā)出后超過100ms后燈具才正常發(fā)光，則直接給人一種延時(shí)發(fā)光感覺。因此針對(duì)燈光控制實(shí)時(shí)性，要注重調(diào)光命令發(fā)布與燈具發(fā)光控制過程的順暢。在基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)中，其調(diào)光命令發(fā)布的主要方法為利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)操作桿的化工進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)上有諸多操作桿，為保證所有燈光控制準(zhǔn)確就要對(duì)滑動(dòng)操作桿的所有位置信息進(jìn)行采集，完成信息采集與處理后將調(diào)光命令數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜PC104。因此，要求操作人員將運(yùn)用多個(gè)51單片機(jī)共同構(gòu)成單片機(jī)群，以有效控制調(diào)光臺(tái)的數(shù)據(jù)收集與處理，以及對(duì)數(shù)據(jù)I/O進(jìn)行控制。由多個(gè)51單片機(jī)構(gòu)成的單片機(jī)群，能夠有效對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，將其存儲(chǔ)于共享RAM中，可極大提升數(shù)據(jù)應(yīng)用效率，避免出現(xiàn)交換問題。

51單片機(jī)及PC104主要采取并口數(shù)據(jù)傳輸方式，以保證數(shù)據(jù)邊采集邊計(jì)算及邊傳輸，這種形式可有效縮短將滑動(dòng)操作桿的滑動(dòng)動(dòng)作傳輸?shù)秸{(diào)光柜PC104的傳輸時(shí)間。51單片機(jī)通過并口中斷對(duì)調(diào)光柜PC104發(fā)布通知，使PC104開始接收數(shù)據(jù)，所有調(diào)光命令數(shù)據(jù)塊都將依次進(jìn)行傳輸。本機(jī)PC104一旦接收到調(diào)光命令數(shù)據(jù)塊，則將利用網(wǎng)絡(luò)向所有網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜廣播802.3幀，幀的數(shù)據(jù)也即調(diào)光命令數(shù)據(jù)塊。完成命令數(shù)據(jù)塊裝幀后利用遠(yuǎn)程DMA進(jìn)行幀傳輸，將其傳輸?shù)骄W(wǎng)卡緩沖區(qū)，完成初始化后將發(fā)動(dòng)控制寄存器，并將幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜網(wǎng)卡將會(huì)通過DMA接受緩沖環(huán)，利用主機(jī)與遠(yuǎn)程DMA進(jìn)行配合，直接使緩沖環(huán)存入內(nèi)存。完成以上命令操作后，向本機(jī)51單片機(jī)發(fā)出并口中斷請(qǐng)求，基于并口傳輸調(diào)光命令數(shù)據(jù)，輸出DMXA512控制數(shù)據(jù)，完成燈具發(fā)光控制。

PC104能夠直接通過調(diào)光柜將狀態(tài)信息顯示在LCD上，也能夠通過網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)信息傳送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)直接對(duì)程序進(jìn)行控制，通過調(diào)光柜狀態(tài)顯示進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。若狀態(tài)數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)超限，將會(huì)出現(xiàn)圖閃，并向工作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 51單片機(jī)與PC104并行軟握手通信

由上可知，51單片機(jī)與PC104間的數(shù)據(jù)塊傳輸模式為依次雙向傳輸，采取一次一個(gè)的模式，因此選擇并行接口、雙向EPP方式。

以標(biāo)準(zhǔn)的硬握手并EPP方式進(jìn)行工作，51單片機(jī)需要具備對(duì)應(yīng)的接口予以配合，才可實(shí)現(xiàn)通信的正常傳輸。本研究中51單片機(jī)本身有個(gè)別并口能夠加以應(yīng)用，因而選擇軟握手通信形式，并保證51單片機(jī)與PC104并行軟握手通信有效實(shí)現(xiàn)。

軟握手信號(hào)線如下：①51單片機(jī)與PC104雙向傳輸：數(shù)據(jù)線Data0～Data7；②51單片機(jī)到PC104：中斷請(qǐng)求ACK，準(zhǔn)備好/數(shù)據(jù)已取走nWait；③PC104到51單片機(jī)：中斷請(qǐng)求nInit，準(zhǔn)備好/數(shù)據(jù)已取走nWrite。其中，51單片機(jī)發(fā)動(dòng)數(shù)據(jù)塊程序的主要流程如圖2所示。

圖2所示的準(zhǔn)備好/已取走信號(hào)主要采用電平方式，若改為跳變方式則能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸加速，但需要對(duì)起始狀態(tài)作有效處理。同時(shí)，在判斷數(shù)據(jù)已取走信號(hào)前準(zhǔn)備好下一個(gè)將發(fā)送的數(shù)據(jù)，也能夠促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸加速。

3.2 應(yīng)用程序及Windows程序之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

從實(shí)時(shí)性角度分析，網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)PC104以及調(diào)光柜之間主要應(yīng)用DOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用IEEE802.3的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)的功能是對(duì)系統(tǒng)相關(guān)燈具等發(fā)光條件等進(jìn)行顯示，同時(shí)也需要對(duì)系統(tǒng)管理及用戶自行定義情況功能進(jìn)行確定。因此，采用Windows系統(tǒng)來完成具體操作具有明顯優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息主要以調(diào)光命令組織程序完成的控制數(shù)據(jù)格式進(jìn)行包裝，其中，802.3幀源MAC地址也即本機(jī)MAC的地址，因?yàn)镸AC地址主要體現(xiàn)的是廣播MAC地址。網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)在出現(xiàn)命令的情況下，在網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜收到信號(hào)之后，通過調(diào)光命令傳送程序進(jìn)入到單片機(jī)中完成相應(yīng)操作。如果網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)接收到的命令數(shù)據(jù)不是IP數(shù)據(jù)，則不會(huì)進(jìn)一步遞交給上級(jí)。

網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜PC104將燈具控制信息與燈具狀態(tài)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)時(shí)，要先對(duì)其進(jìn)行假包裝，也即將狀態(tài)信息看作應(yīng)用層數(shù)據(jù)，完成UDP協(xié)議包裝，再將UDP協(xié)議包裝進(jìn)行IP協(xié)議包裝，主要是計(jì)算首部檢驗(yàn)、源IP地址、目的IP地址。完成假包裝后的IP數(shù)據(jù)為802.3幀的數(shù)據(jù)，802.3幀目的MAC地址也即PC104的MAC地址，主要通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)廣播獲取。

燈具發(fā)光狀態(tài)信息傳輸狀態(tài)如圖3所示。

4 結(jié)語

基于嵌入式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)包括控制和監(jiān)視兩項(xiàng)功能。系統(tǒng)控制主要是對(duì)調(diào)光命令的控制，借助網(wǎng)絡(luò)快速完成對(duì)相關(guān)現(xiàn)場燈具的調(diào)光操作；監(jiān)視則是通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)光柜實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場燈光等狀態(tài)情況的信息采集，并在本機(jī)中顯示報(bào)警。同時(shí)也能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳送的形式完成一對(duì)多或者多對(duì)一的監(jiān)視。由于本局域網(wǎng)屬于共享網(wǎng)絡(luò)類型，因此，在燈具數(shù)量大的情況下，也能夠通過增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的方式提升傳輸速率。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）