基于Art-Net協議的舞臺燈光控制系統(tǒng)的研究與實現

任慧，李舒?zhèn)?，劉?/p>

(1. 中國傳媒大學 信息與通信工程學院，北京100024；2.視聽技術與智能控制系統(tǒng)文化部重點實驗室，北京100024；3.現代演藝技術北京市重點實驗室，北京100024)

1 引言

舞臺燈光網絡控制系統(tǒng)是現代演藝技術的研究重點之一。與傳統(tǒng)的舞臺燈光設計不同，現代舞臺燈光設計的特點是燈具數量大、種類多、功能多變。劇場演出中為了方便燈光設計師操作與控制舞臺燈光，需要將這些設備容納到一個系統(tǒng)中協同控制。DMX512作為早期的燈光控制協議有兩個不可避免的缺陷，一是不能有效地進行雙向數據傳輸，無法實時反饋下位機的工作狀態(tài)；二是僅僅實現了燈光控制系統(tǒng)的數字化，無法將燈光控制回路網絡化[1]。但是，DMX512協議仍然占據著舞臺燈光調控的重要地位，世界上各大舞臺燈光設備生產廠商一直在使用該協議，現存的舞臺燈光設備都采用DMX512協議[2]。因此，本文研究設計了基于Art-Net協議的舞臺燈光網絡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 STM32F407 芯片為核心控制器，移植了具有多任務輪轉、實時性等特點的嵌入式系統(tǒng)μC/OSIII，采用STemWIN圖形軟件設計了友好簡潔的人機交互界面，采用Art-Net協議作為燈光網絡通訊協議，實現了燈光系統(tǒng)的網絡與智能化控制，該系統(tǒng)的研究功能齊全、性能可靠、操作便捷，具有很強的實用價值和應用前景。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 系統(tǒng)整體設計方案

硬件整體設計方案如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由主控制器模塊、通信模塊和觸摸屏輸入模塊，觸摸屏實時輸入燈光控制信號，SD卡可以將儲存的燈光控制信號數據輸入到控制系統(tǒng)中，USB接口可以實現與PC聯機工作。主控制器MCU將輸入信號封裝為Art-Net協議標準數據包，再進行UDP打包，數據信息可以通過以太網傳輸到下位機。下位機反饋回來的數據包先進行UDP解包，在通過Art-Net協議解析信息數據顯示到屏幕中。

2.2 通信模塊設計

通信模塊采用RMII接口和外部PHY芯片連接實現網絡通信功能。STM32F407芯片本身內部集成以太網模塊，該模塊包括專用的DMA控制器MAC802.3控制器，支持介質獨立接口(MII)和簡化介質獨立接口(RMII)，并自帶了一個用于外部PHY通信的SMI接口，通過一組配置寄存器可以為MAC控制器和DMA控制器選擇所需要的模式和功能[3]。但是這個模塊必須外接物理收發(fā)接口才可以完成以太網通信，通過MII/RMII接口與STM32F407芯片內部MAC連接。本系統(tǒng)采用了LAN8720A芯片作為物理外部接口，該芯片是低功耗的10/100Mbps以太網PHY層芯片，I/O引腳電壓符合IEEE802.3-2005標準，支持通過RMII接口與以太網MAC層通信，內置10-BASE-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊，支持10 Mbps 和100Mbps。采用RMII接口和外部PHY芯片連接視線網絡通信功能。如圖2為通信模塊的設計結構。

圖1 系統(tǒng)總體硬件設計框圖

圖2 通信模塊設計結構圖

2.3 觸摸屏模塊設計

系統(tǒng)顯示控制模塊為真彩液晶顯示器(TFTLCD)，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設置有一個薄膜晶體管(TFT)，可有效地克服液晶屏掃描時沒有選通的干擾，同時自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。觸摸屏的驅動模塊選用ILI9341芯片為控制器，MUC通過SPI與ILI9341進行通信，從而訪問它的地址計數器(AC)、控制寄存器(CR)、GRAM及一個LED控制器。ILI9341使用8080通信時序工作，ILI9341的8080接口有5條控制信號線：寫使能信號線WRX，讀使能信號線RDX，復位信號線RESX，片選信號線CSX，區(qū)分數據和命令信號線D/CX，除了控制信號，還有數據信號線[4]。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的任務程序設計

本設計操作系統(tǒng)采用支持任意數目的任務，擁有時間片輪轉調度的運行機制，允許多個任務有相同的優(yōu)先級的實時操作系統(tǒng)μC/OSIII。當多個優(yōu)先級相同的任務同時就緒并且所屬優(yōu)先級高于其他所有就緒任務時，μC/OS-Ⅲ輪轉調度這些任務，讓每個任務運行一段用戶指定的時間長度。在某一時刻μC/OSIII調取一個任務進入CPU運行，剩下沒有被調用的任務就會進入其他狀態(tài)，μC/OSIII中的任務一共有5個狀態(tài)，列表中的任務會在這5中狀態(tài)進行轉換，轉換關系如圖3。

圖3 μC/OSIII任務轉換狀態(tài)關系圖

表1列出了系統(tǒng)中建立的任務及其優(yōu)先級、堆棧大小、任務目的等。μC/OSIII可以事前編寫好硬件驅動函數和應用軟件函數，在需要的時候加入到任務隊列中，讓操作系統(tǒng)進行任務切換，實現實時操作。

表1 μC/OSIII中的任務及其參數

μC/OSIII開始任務控制塊函數：

OS_CRITICAL_ENTER()；

OSTaskCreate((OS_TCB *)&StartTaskTCB，

(CPU_CHAR*)"start task"，

(OS_TASK_PTR)start_task，

(void*)0，

(OS_PRIO)START_TASK_PRIO，

(CPU_STK*)&START_TASK_STK[0]，

(CPU_STK_SIZE)START_STK_SIZE/10，

(CPU_STK_SIZE)START_STK_SIZE，

(OS_MSG_QTY)0，

(OS_TICK)0，

(void*)0，

(OS_OPT)OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR，

(OS_ERR *)&err)；

OS_CRITICAL_EXIT()；

3.2 嵌入式TCP/IP協議棧LwIP程序設計

LwIP實現的重點是在保持 TCP 協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，使得它特別適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用[5]。LwIP 應用系統(tǒng)包括這樣的三個進程：首先啟動的是上層應用程序進程，然后是 LwIP 協議棧進程，最后是底層硬件數據包接收發(fā)送進程[6]。如圖4為LwIP 在數據收發(fā)上的實現方法。

UDP發(fā)送數據函數：

if((udp_flag& LWIP_SEND_DATA)== LWIP_SEND_DATA)

{

sentbuf = netbuf_new()；

netbuf_alloc(sentbuf，strlen((char*)udp_data_sendbuf))

memcpy(sentbuf->p->payload，(void*)udp_data_sendbuf，strlen((char*)udp_data_sendbuf))；

err =(OS_ERR)netconn_send(udpconn，sentbuf)；

udp_flag&= ～LWIP_SEND_DATA；

netbuf_delete(sentbuf)；

}

UDP接收數據函數：

netconn_recv(udpconn，&recvbuf)；

if(recvbuf!= NULL)

{

OS_CRITICAL_ENTER()；

memset(udp_tata_recvbuf，0，UDP_DATA_RX_BUFSIZE)；

for(q=recvbuf->p；q!=NULL；q=q->next)

{

data_len += q->len；

if(data_len> UDP_DATA_RX_BUFSIZE)break；

}

OS_CRITICAL_EXIT()；

圖 4 LwIP在數據收發(fā)上的實現方法

3.3 Art-Net協議數據包設計

基于Art-Net協議的控制系統(tǒng)，最主要的就是Art-Net數據包的生成和傳輸?？刂婆_Server首先以廣播的方式向局域網內發(fā)送Art-poll輪詢幀，局域網內的各個Node節(jié)點收到輪詢幀后，向控制臺發(fā)送Art-pollReply應答幀，控制臺收到Art-pollReply后，根據Art-pollReply應答幀里面的信息獲取整個系統(tǒng)中有多少個Node節(jié)點和每個Node節(jié)點的IP地址。配置好IP地址后，就可以對節(jié)點發(fā)送包含DMX512數據的ArtDMX數據包。表2為Art-poll數據包列表，表3為ArtDMX數據包列表。

表2 Art-poll數據包

表3 ArtDMX數據包

3.4 人機交互界面的設計

本系統(tǒng)人機交互界面設計移植應用了STem-Win。界面設計主要使用ST官方的圖形用戶界面庫中的GUIBulder進行設計。同時，使用移植好后的STemWin圖形庫可以直接調用包含的API函數設計界面，可以將圖像轉換成像素矩陣格式并保存為C語言代碼[7]。字體顯示采用了讀取在外部SPI FLASH儲存漢字字庫的方法。emWin圖形界面軟件提供進度條、按鈕和復選框的相關例程，通過調用API函數即可實現各個控件的功能。為了方便在主界面繪制旋轉指針動態(tài)效果，將界面分為多個窗口設計，利用窗口管理器可較方便地分別對其管理，實現各個功能界面的轉換。軟件程序流程圖如圖5所示。

圖5 界面繪制流程圖

4 結論

本文研究并設計了基于Art-Net協議的舞臺燈光網絡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32控制器為核心，采用Art-Net燈光控制協議，實現了燈光控制的網絡化和智能化。經過實際運行測試，結果表明，該系統(tǒng)有功能齊全、操作便捷、性能可靠、實用性強等特點?？梢詽M足現代舞臺燈光控制的需求，具有較大的實用價值和應用前景。