換色器的工作原理及設(shè)計(jì)方案詳細(xì)說明

　　舞臺(tái)燈光效果設(shè)計(jì)是舞臺(tái)場景設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前國內(nèi)使用的各種新型燈光設(shè)備，如換色器、調(diào)光器、電腦燈等大多是從國外進(jìn)口，國內(nèi)幾乎沒有生產(chǎn)。為此，我們應(yīng)國內(nèi)某舞臺(tái)燈不設(shè)備廠的要求設(shè)計(jì)了一種以AT89C2051單片機(jī)為控制器的新型舞臺(tái)燈光換色器HSQ-1A。該換色器可變換8種色彩，換色精度高，工作可靠。使用時(shí)，舞臺(tái)上所有的換色器和總控制臺(tái)根據(jù)RS-485協(xié)議連成總線網(wǎng)絡(luò)；總控制臺(tái)作為主機(jī)通過總線發(fā)布命令，控制所有換色器的工作。以下介紹換色器的工作原理及設(shè)計(jì)方案。

　　一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　換色器由一個(gè)中空的框架、兩根卷軸以及各色透光薄膜組成。制作時(shí)，首先將不同顏色的透光膜連接成條幅，并在條幅的兩端安上卷軸。然后用卷軸將條幅卷起，以活動(dòng)的方式把卷軸安裝在框架的兩側(cè)。使用時(shí)，把換色器放在白色光源前方，轉(zhuǎn)動(dòng)兩根卷切換不同顏色的透光膜，從而產(chǎn)生不同顏色的燈光效果。這種不換光源只換透光膜的換色方案，與更換不同顏色光源的方案相比，雖然換色速度較慢，但成本低，可靠性高。因此，換色器在換色頻度低的場合中應(yīng)用很廣。

　　在換色器的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)在于卷軸的驅(qū)動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。過去，采用的交流電機(jī)和光電碼盤實(shí)現(xiàn)方式，運(yùn)行噪聲大、定位精度差，在實(shí)際使用中效果不理想?，F(xiàn)在，在新?lián)Q色器中選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)，徹底解決了以上問題。換色器工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、定位精度高，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　總控制臺(tái)與換色器之間的通信使用DMX512數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。DMX512協(xié)議是美國舞臺(tái)燈光協(xié)會(huì)（USITT）于1990年發(fā)布的一種燈光控制器與燈具設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。這包括電氣特性、數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等各方面的內(nèi)容。

　　DMX512電氣特性與RS-485完全兼容，包括驅(qū)動(dòng)器/接收器的選擇、線路負(fù)載和多站配置等方面的要求都是一致的。

　　DMX512數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定使用250Kbps的波特率。在進(jìn)行正常數(shù)據(jù)傳輸之前，發(fā)送1個(gè)復(fù)位信號(hào)，聲明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。隨后的第1幀數(shù)據(jù)稱為起始代碼，其中包含設(shè)備類型碼，以指明后續(xù)數(shù)據(jù)的接收設(shè)備的類型。最后，按設(shè)備編號(hào)的順序給每個(gè)設(shè)備發(fā)送1幀數(shù)據(jù)，依次為：1#設(shè)備數(shù)據(jù)幀、2#設(shè)備數(shù)據(jù)幀，直至最后一個(gè)設(shè)備。設(shè)備總數(shù)最多可達(dá)512個(gè)，數(shù)據(jù)幀間隔為高電平，最長不超過1s。

　　DMX512數(shù)據(jù)格式規(guī)定，1幀數(shù)據(jù)長度為11位。按傳送順序說明如下：

　　第1位——起始位，低電平（SPACE）；

　　第2～9位——數(shù)據(jù)位，從最低位到最高位（LSB～MSB），正邏輯；

　　第10、11位——停止位，高電平（MARK）；

　　奇偶校驗(yàn)位——不傳送。

　　二、硬件電路

　　換色器硬件電路如圖1所示：

　　ULN2003A是內(nèi)含7個(gè)達(dá)林頓管的驅(qū)動(dòng)芯片，輸入電壓與TTL電平兼容。每個(gè)上達(dá)林頓管的集電極可吸收最大500mA的電流，耐壓30V，因此可以用來驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)。

　　74LS125三態(tài)門用于控制電機(jī)的工作方式。電機(jī)正常工作時(shí)，74LS125處于導(dǎo)通狀態(tài)，兩個(gè)電機(jī)可以同方向、同步轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)復(fù)位時(shí)，三態(tài)門阻斷，只有一個(gè)電機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。MAX1487用于驅(qū)動(dòng)/接收RS-485信號(hào)。其接收器的輸入阻抗只有1/4個(gè)單位負(fù)載，最多可連接128個(gè)通信設(shè)備。另外，MAX1487的傳輸信號(hào)變化沿沒有限制斜率，所以最高數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)2.5Mbps。

　　三、X25045介紹

　　在采用DMX512協(xié)議通信時(shí)，換色器的編號(hào)用于從總控制臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)包中選擇發(fā)給本設(shè)備的數(shù)據(jù)幀。正常工作時(shí)，編號(hào)數(shù)據(jù)不會(huì)掉電丟失，而且必要時(shí)編號(hào)還可修改。因此采用XICOR公司的串行E2PROM器件X25045對(duì)編號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　X25045是帶有串行E2PROM的CPU監(jiān)控器。圖2是它的引腳圖：

　　CS/WDI：片選輸入/看門狗復(fù)位輸入；

　　SO：串行輸出；

　　WP：寫保護(hù)輸入；

　　Vss：地；

　　Vcc：電源；

　　RESET：復(fù)位輸出；

　　SCK：同步時(shí)鐘輸入；

　　SI：串行輸入。

　　X25045的狀態(tài)寄存器描述器件的當(dāng)前狀態(tài)，各位意義如表1所列。

　　表1

　　7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP

　　其中，WD1、WD0是看門狗定時(shí)時(shí)間設(shè)置位；BL1、BL0是存儲(chǔ)單元寫保護(hù)區(qū)設(shè)置位；WEL是只讀標(biāo)志，1表明寫使能開關(guān)打開；WIP也是只讀標(biāo)志，1代表芯片內(nèi)部正處于寫周期。電復(fù)位時(shí)，各位都被清零。

　　X25045芯片功能包括以下4種：

　　（1）上電復(fù)位控制。在對(duì)X25045通電時(shí)，ERSET引腳輸出有效的復(fù)位信號(hào)，并保持至少200ms，使CPU有效復(fù)位。

　?。?）電源電壓監(jiān)控。當(dāng)檢測到電源電壓低于內(nèi)部門檻電壓VTRIP時(shí)，RESET輸出復(fù)位信號(hào)，直至電源電壓高于VTRIP并保持至少200ms，復(fù)位信號(hào)才被撤消。VTRIP的出廠值根據(jù)芯片型號(hào)不同共有5個(gè)級(jí)別的電壓范圍。對(duì)于需要電源電壓精確監(jiān)控的應(yīng)用，用戶可以搭建編程電路，對(duì)芯片內(nèi)VTRIP電壓進(jìn)行微調(diào)。

　?。?）看門狗定時(shí)器。芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器的WD1、WD0是看門狗定時(shí)設(shè)置位，通過狀態(tài)寄存器寫指令WRSR修改這2個(gè)標(biāo)志位，就能在3種定時(shí)間隔中進(jìn)行選擇或關(guān)閉定時(shí)器。對(duì)看門狗的復(fù)位由CS輸入電平的下降沿完成。表2是WD1、WD0組合的含義。

　　表2

　　WD1 WD0 看門狗定時(shí)值 0 0 1.4s 0 1 600ms 1 0 200ms 1 1 禁止看門狗工作

　?。?）串行E2PROM。芯片內(nèi)含512字節(jié)存儲(chǔ)單元，10萬次可靠寫，數(shù)據(jù)保持時(shí)間100年。XICOR設(shè)計(jì)了3種保護(hù)方式防止誤寫。包括：WP寫保護(hù)引腳，當(dāng)引腳被拉低時(shí)，內(nèi)部存儲(chǔ)單元狀態(tài)寄存器都禁止寫入；存儲(chǔ)區(qū)域?qū)懕Ｗo(hù)模式，通過對(duì)狀態(tài)寄存器的BL1、BL0位的設(shè)置，可以選擇對(duì)不同的存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行寫保護(hù)；在進(jìn)行任何寫操作前都必須打開寫使能開關(guān)，而且在上電初始化寫操作完成時(shí)，寫使能開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉。顯然，在幾方面的保護(hù)之下，產(chǎn)生誤寫的可能性極小，表3是BL1、BL0組合的含義。

　　表3

　　BL1 BL0 寫保護(hù)的單元地址 0 0 沒有保護(hù) 0 1 180H～1FFH 1 0 100H～1FFH 1 1 000H～1FFH

　　對(duì)X25045的操作是通過4根口線CS、SCK、SI和SO進(jìn)行同步串行通信來完成的。SCK是外部輸入的同步時(shí)鐘信號(hào)。在對(duì)芯片定改指令或數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘前沿將SI引腳信號(hào)輸入；在讀郵數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到SO引腳上。數(shù)據(jù)的輸入/輸出都是高位在先。

　　芯片內(nèi)部共有6條指令，如表4所列。

　　表4

　　命令名稱 命令格式 內(nèi) 容 WREN 0000 0110

　　打開寫使能開關(guān) WRDI 0000 0100 關(guān)閉寫使能開關(guān) RDSR 0000 0101 讀狀態(tài)寄存器 WRSR 0000 0001 寫狀態(tài)寄存器 READ 0000 A8011 讀存儲(chǔ)單元 WRITE 0000 A8010 寫存儲(chǔ)單元

　?。?）WREN和WRDI是寫使能開關(guān)的開/關(guān)指令。它們都是單字節(jié)指令。

　?。?）RDSR和WRSR是狀態(tài)寄存器的讀/寫指令。在從SI輸入指令后，RDSR的執(zhí)行結(jié)果，即狀態(tài)寄存器內(nèi)容須從SO讀出；而WRSR需要緊接著輸入修改數(shù)據(jù)。

　　（3）READ和WEITE是存儲(chǔ)單元的讀/寫指令。輸入指令后（指令碼第三代表存儲(chǔ)單元地址的最高位），接著輸入低八位地址，最后就可以連續(xù)讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。其中，讀指針和寫指針的工作方式完全不同，讀指針的全部8位用來計(jì)數(shù)，0FFH溢出后變成00H；寫指針只用最低兩位計(jì)數(shù)，XXXXXX11B溢出后變成XXXX XX00B，所以連續(xù)寫的實(shí)際結(jié)果是在4個(gè)單元中反復(fù)寫入。另外，由于E2PROM的寫入時(shí)間長，所以在連續(xù)兩條寫指令之間應(yīng)讀取WIP狀態(tài)，只有內(nèi)部寫周期結(jié)束時(shí)才可輸入下一條寫指令。

　　AT89C2051內(nèi)部沒有SPI接口硬件，因此本系統(tǒng)利用了單片機(jī)的4根口線和軟件模擬讀寫時(shí)序的方式與X25045通信。軟件包在文末給出。

　　四、軟件原理

　　系統(tǒng)程序包括主程序和串口通信斷服務(wù)程序。主程序首先從X25045中取出本設(shè)備編號(hào)備用，然后進(jìn)入循環(huán)。特環(huán)程序的主要任務(wù)包括：①檢測換色標(biāo)志，當(dāng)換色標(biāo)志有效時(shí)，則調(diào)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序控制轉(zhuǎn)抽，將換色器切換到新顏色；②幀間隔1s延時(shí)，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，中斷程序?qū)?fù)位串口接收程序；③定時(shí)復(fù)位X25045的看門狗。

　　通信中斷服務(wù)程序用于檢測RS-485總線發(fā)送的復(fù)位信號(hào)和起始代碼。當(dāng)兩者同時(shí)有效時(shí)開始對(duì)后續(xù)接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)值與設(shè)備編號(hào)相同時(shí)，說明當(dāng)前幀是給本設(shè)備的數(shù)據(jù)，于是根據(jù)該數(shù)據(jù)設(shè)置換色標(biāo)志，由主程序執(zhí)行換色動(dòng)作。

　　X25045的通信接口軟件：

　　CS BIT P3.2

　　SCK BIT P3.3

　　SI BIT P3.4

　　SO BIT P3.5

　?。?）X25045數(shù)據(jù)寫入程序

　　功能：將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫入指定地址開始的單元。

　　入口：F0、R3是E2PROM單元地址最高位低八位；R0是緩沖區(qū)首地址；R2是緩沖區(qū)長度。

　　WRITEX：LCALL STAX ；指令啟動(dòng)

　　MOV A，#06H ；輸出WREN

　　LCALL BYTE_OUT

　　LCALL STAX ；下一指令啟動(dòng)

　　MOV A，#02H ；輸出WRITE

　　MOV C，F(xiàn)0 ；插入單元地址最高位

　　MOV ACC.3，C

　　LCALL BYTE_OUT

　　MOV A，R3 ；輸出單元地址低八位

　　LCALL BYTE_OUT

　　BYWR：MOV A，@R0 ；從緩沖區(qū)取數(shù)輸出

　　LCALL BYTE_OUT

　　INC R0 ；指針加1

　　DJNZ R2，BYWR ；緩沖區(qū)未空則繼續(xù)輸出

　　LCALL ENDX ；指令結(jié)束

　　LCALL WIP_CHK ；等待WIP=0

　　RET

　　（2）X25045數(shù)據(jù)讀出程序

　　功能：把指定地址開始的單元數(shù)據(jù)讀出并放入緩沖區(qū)

　　入口：與寫入程序相同。

　　READX：LCALL STAX

　　MOV A，#03H ；輸出READ

　　MOV C，F(xiàn)0

　　MOV ACC.3，C

　　LCALL BYTE_OUT

　　MOV A，R3 ；輸出低八位地址

　　LCALL BYTE_OUT

　　BYRD：LCALL BYTE_IN ；輸入數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)

　　MOV @R0，A

　　INC R0 ；指針加1

　　DJNZ R2，BYRD ；緩沖區(qū)未滿則繼續(xù)輸入

　　LCALL ENDX

　　RET

　?。?）X25045狀態(tài)寄存器寫入程序

　　功能：對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　入口：ACC是修改值。

　　WRSR：LCALL STAX

　　PUSH ACC

　　MOV A，#06H ；輸出WREN

　　LCALL BYTE_OUT

　　LCALL STAX

　　MOV A，#01H ；輸出WRSR

　　LCALL BYTE_OUT

　　POP ACC ；輸出設(shè)置值

　　LCALL BYTE_OUT

　　LCALL ENDX

　　LCALL WIP_CHK ；等待WIP=0

　　RET

　?。?）X25045狀態(tài)寄存器讀出程序

　　功能：讀出狀態(tài)寄存器當(dāng)前值。

　　出口：ACC是當(dāng)前值。

　　RDSR：LCALL STAX

　　MOV A，#05H

　　LCALL BYTE_OUT

　　LCALL BYTE_IN

　　LCAL ENDX

　　RET

　　（5）其他子程序

　　WIP_CHK：LCALL RDSR ；等待X25045結(jié)束內(nèi)部寫周期

　　JB ACC.0，WIP_CHK

　　RET

　　STAX：SETB CS ；啟動(dòng)X25045指令

　　NOP ；先拉高CS，再拉你SCK，最后拉低CS

　　CLR SCK

　　NOP

　　CLR CS

　　NOP

　　RET

　　ENDX：CLR SCK ；結(jié)束X25045指令

　　SETB CS ；先拉低SCK后拉高CS

　　NOP

　　NOP

　　RET

　　BYTE_OUT：MOV R4，#08H ；向X25045寫入一字節(jié)數(shù)據(jù)

　　BOUT1：CLR SCK

　　RLC A

　　MOV SI，C

　　SETB SCK

　　NOP

　　NOP

　　DJNZ R4，BOUT1

　　RET

　　BYTE_IN：MOV R4，#08H ；從X25045讀出一字節(jié)數(shù)據(jù)

　　BIN1：CLR SCK

　　MOV C，SO

　　RLC A

　　SETB SCK

　　NOP

　　NOP

　　DJNZ R4，BIN1

　　RET

　　RST_DOG：SETB CS ；復(fù)位看門狗定時(shí)器

　　NOP

　　CLR CS

　　NOP

　　SETB CS

　　RET