基于嵌入式计算机的网络灯光控制系统研究

马伟

摘要：51单片机主要应用现场调光信息，基于嵌入式计算机的网络灯光系统借助传输调光命令可以完成对现场灯光的控制，并回传灯具工作状态，在本机LCD主界面中完成信息显示。对网络灯光控制系统的结构、工作原理及实现方式进行了阐述，着重介绍了系统调光命令的实现过程，同时对51单片机及嵌入式计算机等进行了研究，综合性地交代了应用程序如何通过网络完成数据交换。

关键词：单片机；嵌入式计算机；网络灯光控制系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.161070

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0113-02

0 引言

现代社会经济的快速发展促使网络技术应用不断深入，网络技术的发展速度与成熟度也进一步加强。电视中心、大剧场以及体育馆等都需要借助网络控制技术实现对灯光的管理与控制操作，利用这样的平台，采用网线、光纤等取代传统意义上的DMX信号线，能够在很大程度上简化布线设置，进一步优化对灯光的控制与管理，解决了多路DMX的控制安全性问题，也能够对舞台机械网络系统及吊挂系统等的安全传输产生积极影响。

1 网络灯光控制系统构成分析

网络灯光控制系统包括5个主要构成部分，网络调光柜、调光台、网络智能灯具、网络监控主机以及网络移动终端。其中，网络监控主机主要为工业控制机，主要组件为嵌入式计算机。网络灯光控制系统能够通过路由器与因特网直接连接，其系统构成如图1所示。

网络灯光控制系统基于HUB连接为局域网，主要采用TCP/IP协议，运输层为UDP协议，网络层为IP协议，数据链路层为IEEE802.3。

网络调光台的51单片机主要负责对调光台以及操纵杆等单元数据进行获取，通过信息处理后进行调光数据模块操作，直接传输到PC104。完成第一步传送后PC104再将调光命令数据直接传送到网络上，进行广播。如图1所示，全部网络调光柜PC104均接受调光命令，通过并口传输到本机51单片机，再通过51单片机发出DMX512标注信号，以有效对灯具进行发光控制。除了这种控制形式，可以直接通过网络对网络智能灯具进行发光控制，并且网络移动终端也能够对灯具进行相关控制，发出调光命令。这种控制形式能够为现场工作人员提供较大便利，便于工作人员根据工作需求进行移动控制以及临时灯光调试等。

灯具发光情况除了在本机网络调光柜进行信息显示外，其相关状态信息能够直接传输到网络调光台，或将信息传输到网络监控主机或移动终端上。若系统没有直接显示相关信息，或系统运行出现异常，将通过网络调光台或监控主机或移动终端进行报警；一旦出现故障信息或异常情况，网络监控主机的短信猫将直接将详细信息发送给工作人员。网络调光柜相关参数、回路调光数据、调光曲线参数以及相关报警参数主要通过网络监控主机的设置，通过网络广播形式直接将数据信息传输到网络调光柜，工作人员能够直接对网络调光柜进行操作，可通过触摸屏数据更改等形式进行参数调整或重置。

为了切实保障系统运行的稳定性和安全性，系统运行过程中主要应用RS485总线作为系统的备用通道，应用目的在于当系统出现运行故障时，能够直接运行临时RS485总线传输，保证调光命令顺利进行。直至相关工作暂时停止，并等到以太网正常恢复工作后再将临时RS485总线切换到正常方式下。网络调光台相关应用程序主要是通过DOS操作系统Turboc3.0开发，网络调光柜PC104程序也是基于Turboc3.0开发。网络监控主机应用程序与网络调光台和网络调光柜PC104的系统程序开发不同，主要是在Windows 7操作系统下应用Visual C++6.0开发。

2 基于嵌入式计算机的网络灯光控制命令发布

通常情况下，若调光命令发出后超过100ms后灯具才正常发光，则直接给人一种延时发光感觉。因此针对灯光控制实时性，要注重调光命令发布与灯具发光控制过程的顺畅。在基于嵌入式计算机的网络灯光控制系统中，其调光命令发布的主要方法为利用网络调光台操作杆的化工进行控制。网络调光台上有诸多操作杆，为保证所有灯光控制准确就要对滑动操作杆的所有位置信息进行采集，完成信息采集与处理后将调光命令数据传到网络调光柜PC104。因此，要求操作人员将运用多个51单片机共同构成单片机群，以有效控制调光台的数据收集与处理，以及对数据I/O进行控制。由多个51单片机构成的单片机群，能够有效对数据进行存储，将其存储于共享RAM中，可极大提升数据应用效率，避免出现交换问题。

51单片机及PC104主要采取并口数据传输方式，以保证数据边采集边计算及边传输，这种形式可有效缩短将滑动操作杆的滑动动作传输到调光柜PC104的传输时间。51单片机通过并口中断对调光柜PC104发布通知，使PC104开始接收数据，所有调光命令数据块都将依次进行传输。本机PC104一旦接收到调光命令数据块，则将利用网络向所有网络调光柜广播802.3帧，帧的数据也即调光命令数据块。完成命令数据块装帧后利用远程DMA进行帧传输，将其传输到网卡缓冲区，完成初始化后将发动控制寄存器，并将帧传输到网络中。网络调光柜网卡将会通过DMA接受缓冲环，利用主机与远程DMA进行配合，直接使缓冲环存入内存。完成以上命令操作后，向本机51单片机发出并口中断请求，基于并口传输调光命令数据，输出DMXA512控制数据，完成灯具发光控制。

PC104能够直接通过调光柜将状态信息显示在LCD上，也能够通过网络直接将数据信息传送到网络监控主机，通过网络监控主机直接对程序进行控制，通过调光柜状态显示进行相应调整。若状态数据所包含的数据超限，将会出现图闪，并向工作人员发出报警信号。

3 基于嵌入式计算机的网络灯光控制系统实现

3.1 51单片机与PC104并行软握手通信

由上可知，51单片机与PC104间的数据块传输模式为依次双向传输，采取一次一个的模式，因此选择并行接口、双向EPP方式。

以标准的硬握手并EPP方式进行工作，51单片机需要具备对应的接口予以配合，才可实现通信的正常传输。本研究中51单片机本身有个别并口能够加以应用，因而选择软握手通信形式，并保证51单片机与PC104并行软握手通信有效实现。

软握手信号线如下：①51单片机与PC104双向传输：数据线Data0～Data7；②51单片机到PC104：中断请求ACK，准备好/数据已取走nWait；③PC104到51单片机：中断请求nInit，准备好/数据已取走nWrite。其中，51单片机发动数据块程序的主要流程如图2所示。

图2所示的准备好/已取走信号主要采用电平方式，若改为跳变方式则能够实现数据传输加速，但需要对起始状态作有效处理。同时，在判断数据已取走信号前准备好下一个将发送的数据，也能够促进数据传输加速。

3.2 应用程序及Windows程序之间的数据转换

从实时性角度分析，网络调光台PC104以及调光柜之间主要应用DOS系统，该系统采用IEEE802.3的协议来实现数据信息传输。网络监控主机的功能是对系统相关灯具等发光条件等进行显示，同时也需要对系统管理及用户自行定义情况功能进行确定。因此，采用Windows系统来完成具体操作具有明显优势。网络调光台产生的数据信息主要以调光命令组织程序完成的控制数据格式进行包装，其中，802.3帧源MAC地址也即本机MAC的地址，因为MAC地址主要体现的是广播MAC地址。网络调光台在出现命令的情况下，在网络调光柜收到信号之后，通过调光命令传送程序进入到单片机中完成相应操作。如果网络监控主机接收到的命令数据不是IP数据，则不会进一步递交给上级。

网络调光柜PC104将灯具控制信息与灯具状态信息传输到网络监控主机时，要先对其进行假包装，也即将状态信息看作应用层数据，完成UDP协议包装，再将UDP协议包装进行IP协议包装，主要是计算首部检验、源IP地址、目的IP地址。完成假包装后的IP数据为802.3帧的数据，802.3帧目的MAC地址也即PC104的MAC地址，主要通过网络监控主机广播获取。

灯具发光状态信息传输状态如图3所示。

4 结语

基于嵌入式计算机的网络灯光控制系统包括控制和监视两项功能。系统控制主要是对调光命令的控制，借助网络快速完成对相关现场灯具的调光操作；监视则是通过网络调光柜实现对现场灯光等状态情况的信息采集，并在本机中显示报警。同时也能够通过网络传送的形式完成一对多或者多对一的监视。由于本局域网属于共享网络类型，因此，在灯具数量大的情况下，也能够通过增加网络带宽的方式提升传输速率。

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（责任编辑：孙 娟）