舞台灯光传输网络系统1

早期使用的舞台灯光传输网络传送的是0~10V的模拟控制信号，每条线路只能传送一路模拟信号，难以满足现代演出数千路控制信号的传输需求。

采用数字多路通信原理，把0~10V模拟调光控制信号进行数字编码和数据“打包”，便可在一对通信路上同时传送数百路调光数据信号，完美的解决了现代演出灯光系统的信号传输问题，使舞台、演播厅灯光控制有了长足的发展。

1986年美国剧场技术协会（USITT）根据调光台的接口标准，首先开发出DMX512（1986）数字调光通信协议。DMX是“Digital multiplex”（数字多路传输）的英文缩写，512是在一对数据传输线上最多可同时传送512路调光控制数据信号。1990年该通信协议被美国专业灯光音响协会（PLASA）和美国剧场技术协会（USITT）联合工作组升级为DMX512（1990）版本，并在全世界推广应用。

DMX512（1990）版本只能单向传送控制数据。2002年10月美国娱乐服务技术协会（ESTA）和美国剧场技术协会（USITT）联合发布修订后的DMX512-A《灯光设备及附件控制异步串行数据传输标准》。新标准在保护、安全及兼容性等方面作了较多修改，并且允许实现双向数据传输。双向数据传输为远程设备管理（RDM）创造了条件，使连接在DMX512链路上的不同厂商的灯光设备能实现智能双向通信和集中监视管理，并使DMX512系统与以太网传输网络更易衔接。

由于DMX512通信协议具有广泛的适用性，很快为全世界的制造商和用户采用，几乎所有的灯光控制台和受控设备都兼容了DMX512通信协议，已成为事实上的一个国际标准。由于DMX512通信协议简单实用，不仅可以将不同生产厂商的调光器材连接起来组成一个演出系统，而且，只要符合协议标准的灯光器材，都能互联控制。

   一、DMX512数字多路通信传输协议

   DMX512是一种“时分割”数字多路通信传输协议，以数据帧顺序传输为基础。每个数据内含有512个按时间间隙分开的通道数据组（如调光器1~调光器512数据组），为确认数据帧中各通道的定位，数据帧中还专门设置了中断定时、中断后标记及开始码等三个时间码。

   调光控制台向传输网络总线循环发送各通道的DMX512数字控制编码序列，连接在总线上的各灯光按规定地址各自接收并提取对应通道的数据，完成灯光控制信号的接收。

  DMX512通信传输协议适用于一点对多点的主从式灯光控制系统，是专业灯光系统一种先进的控制系统。传输网络系统简洁实用，功能齐全，操作容易，可靠性高，具有强大的扩展能力。

   DMX512通信传输协议开发的初衷是对调光器系统实施控制，但是现在已被扩大应用于电脑灯和换色器等设备的控制。虽然这些被控对象不是调光器，但可非诚方便地用一个DMX512控制台来控制这些装置。

    1、一个DMX512通信标准的数据帧结构

   一个DMX512数据帧包含起始码和512个数据通道。调光控制台按顺序从通道1到最高通道编号连续周而复始循环发送包含各通道的数据帧。

    DMX512一个数据帧最多可包含512个传输通道。为确认接收通道1作为数据帧的基准通道，还要符合一定的格式和时序要求，才能把数据帧一个个连续发送出去，即在数据帧开始发送前需增加一个包含88μs长的连续低电平的“中断”标记码，在“中断结尾”处还要发送一个8μs的称为“中断后标记”的高电平码，跟随其后发送的才是一个称为“开始码”的低电平码，并把这个低电平码作为零值。零值后跟随的才是第一个、第二个、......、第512个通道的数据组。

调光控制台和灯光设备接收器之间自由满足了DMX512数据帧的时序要求，才能正确无误地完成它们之间的通信。

    2、DMX512通道数据组的结构

   DMX512通道协议规定编码脉冲的时间间隔为4μs，代表256个信号控制电平。每个通道的控制信号由8为脉冲组成一个数据组。为使接受装置与发送信号同步，通道数据由8bit的同步码构成。发送8bit+3bit=11bit的通道数据组需花费的时间4μs*11=44μs。

如果线路上连续发送512路调光数据组，那么美妙最多可发送4μs宽度的脉冲数量为250kbit/s。也就是说，DMX512的最高传送速率为250kbit/s，即每秒可发送250kbit数据。

根据灯光控制系统的实际情况，大部分调光控制台的工作方式是定期发送或是偶然发送调光控制数据，即每个时段内发送控制信号的数量是随机的，也就是说各时段要传输的通道数是不固定的。因此，数据帧内存在着不少空闲时间。为提高数据通信系统的利用率，调光控制台应能在线路空闲的任何时间都可发送通道数据组。这种随机发送、发送与接收之间没有固定的同步关系，，收、发之间不锁定的通信方式称为异步通信。异步通信可在任何时间发送信号，可提高数据通信系统的利用率。DMX512采用的是异步通信协议。

一台舞台灯光设备可以同时接受多个通道控制。接受控制的通道数越多，接受的控制数据量也越大，灯光的表现能力也就越强。譬如，某些舞台激光灯可以根据需要投射出不同图案、颜色和字符，那么控制一台激光灯就需要多个传输通道。

3、DMX512数据通信的定时数据

  （1）刷新率

    刷新率是指每秒钟发送数据帧的数量，它取决于每个数据帧内要发送的通道数量。数据帧内要发送的通道数越多，数据帧的刷新率就越低，数据传输速率也会越低，灯光控制可达到的最快变化速度也越低。

    刷新率犹如电视信号每秒钟能传送图像的帧数，显然，每秒钟传送的图像帧数越多，快速运动图像越流畅，反之，如果每秒传送的图像帧减少到10帧/秒一下，电视图像就会变成“动画片”了。

    数据帧发送的调光通道越多，它的刷新频率就越低，灯光控制可达到的最快变化速度也越低。

    调光控制台的通道数据组是随通道顺序一个一个往下移动发送的。如果传输线路上有一个接胡搜装置没能赶上接收，就会发生偶尔删去一个通道，并且会引起后面高编号的通道位置迁移。为避免发生这种情况，在通道数据组之间专门设置了一个16μs的通道数据组时间间隔标记。此时通道数据组之间的时间间隔变为60μs（44μs通道数据组+16μs时间间隔标记），因此，发送512个通道的一个数据帧的刷新率为32.4Hz。

  （2）中断定时

    中断定时、中断后标志和开始码是为数据帧确认基准通道而设置的三种时间码。中断时间长度由接受装置决定，接受装置允许接收大于88μs中断时间以后的数据组。中断时间如果小于88μs，其后的数据组将被抛弃。因此，发送器（如调光控制台）的中断时间总是调整到大于88μs，如100μs。有些DMX512接收装置对中断时间长度很敏感，如果中断时间太长也会发生故障。

  （3）中断定时后标记

    DMX512中，中断定时后标记为8μs）（高电平）作为捕捉第一个字节（开始码）的恢复时间。然后是第一通道调光器的数据组、第二通道调光器的数据组......

二、DMX512的技术特性

  1、DMX512的网络结构

   DMX512通过XLR5芯连接器和4芯屏蔽双绞线电缆把发送器（灯光控制台）与各接收器连接在一起。DMX512虽然只使用具有屏蔽的一对（2根芯线）导线传输DMX512信号，但是第2对导线是备用传输通道，可作为回传和故障备用。

   在一对DMX512线路上最多只能挂接32个接收装置，这些装置可沿线路上任何位置挂接。各分支线路只能按星形连接运行。为防止数字信号长线传输的终端反射，在线路的最远端必须连接与传输线特性阻抗相等的TR终端电阻。DMX512信号如果需向不同方向传送，必须使用一台分支放大器，以便有效隔离各路输出。

  2、EIA-485通信规范

   DMX512信号的电气接口标准是EIA-485（也称RS-485）。该标准可方便地把DMX512装置连接到另一台EIA-485装置。

RS-485接口主要技术特性：

  （1）电气特性。逻辑“1”以两线间的电压差为+（2~6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2~6）V表示。

  （2）RS-485采用半双工网络工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。使用多点互连时可以省掉许多信号线。可以联网构成分布式系统，最多允许并联32台驱动器和32台接收器。

  （3）数据最高传输速率为10Mbit/s。传输速率与传输距离成反比，通信速率在100Mbit/s及以下使，RS-485的最长传输距离可达1200m。如果需要传输更长的距离，需要加485中继器。

  （4）在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通UIP无屏蔽双绞线传输。在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS-485屏蔽双绞线专用电缆（STP-120Ω）。

  （5）RS-485网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在发送和接送器之间用2跟或3跟导线连接。这些导线一根是数据线，另一根是反相数据线，还有一根是接地线，作为电流返回或屏蔽接地。

  （6）采用平衡发送和差分接收，这种对地平衡传输的方法有利于消除电磁干扰，有很强的的抑制共模干扰能力，能检测低至200mV的电压。接口采用差分方式传输信号，不需要相对于某个参照点来检测信号。

   EIA-485规定接收器检测到的数据线之间的信号差值应不小于200mV，才能使接收器正常运行。

   大型演出系统中的发送端（调光台）与接收端（调光器）相距甚远，这两类装置不可能把它们的“零钱”接在同一个地线端子上。但连接各“零线”的地线端子相对于0V电平存在大小不等的电位差。接受装置与发送装置接地线之间允许最大电位差为+12~-7V。

  3、网络终端匹配电阻

   发送端发出的数字信号经长距离传输到电缆末端，如果在末端没有一个与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻吸收这个入射信号（发送信号）,那么，在终端会形成一个反射信号，并与正向传输的发送信号叠加，使数据信号出错。为此，必须在离发送器最远的电缆末端在两根数据线之间连接一个与电缆特性阻抗相等终端适配电阻，吸收掉发送信号。

    电缆特性阻抗的定义是没有反射的无限长线路的阻抗。从从传输线路理论分析，所谓“长线”是指传输线的长度可以与传输线传播的电波波长相比拟时的线路长度。通常认为传输线的长度大于十分之一波长时，即可认为是长线。

    DMX512系统用的各种型号电缆的特性阻抗约为85~150Ω之间。EIA-485的最佳阻抗是120Ω。在RS422(EIA-485的前任)和EIA-485发送装置都存在的情况下可采用110Ω的终端电阻。非常长的电缆可取较高的终端电阻，因为考虑电缆导线自身的附加电阻。注意，不要把传输线的特性阻抗与传输线本身的直流电阻相混淆。传输线的直流电阻可用电阻表测量出来，每根导线不应超过200Ω。

    典型的终端电阻是110~120Ω,1/4W的电阻器。有一种通用终端器是在2脚和3脚之间跨接一个120Ω电阻的XLR5芯(公)插头。

  4、中继器和分路器/分配放大器

    一个典型的EIA-485接收器一般代表一个负载装置。这些装置可用很短(750px)到数米的电缆挂接到DMX512数据传输线上。这些装置可用星形连接的方法把它们连接在一起。但不能使用“Y”型分支器。

    “Y”型分支器是一个公连接器(调光台边)和2个母连接器(调光器)之间的一种直接的硬连接。连接器中的1脚、2脚和3脚分别连接在一起。这种连接尤其是在离开发送器有一定距离时，复杂的反射信号将会形成几种变了形状的数字信号，导致信号质量下降和增加出错率。

    DMX512的在线工作能力最长可达1000m(3281f)，最保守的最远传输距离也可达500m(1640f)。传输距离的长度与电缆的导线截面面积有关，发送器用2V信号驱动时，在远端120Ω终端电阻上的信号电压仍有200mV(0.2V)。如果传输距离超过500m和/或多于32个接收装置时，应使用放大器（中继器）或分路放大器，把DMX512信号放大分配到不同的分支线路中去。

   1、中继器

中继器又称缓冲放大器，用来提高DMX512的信号电平。中继器应设在发生信号出错之前，即它的输入信号是无失真和无延时的数字信号。它的输出线路远端也需设置终端匹配电阻。中继器再生的数字信号应是无失真和没有延时的。

   2、分路器分配放大器

路器分配放大器的功能类似中继器，不同的是分路放大器有多路输出，每路输出给后面线路同样电平的信号。它们可以向不同方向发送DMX512信号，分配给分支线路上各位置的接收装置。

  5、网络隔离

    ELA-485规定接收器和发送器之间允许有+12--7V之间的共模电压。这是数据线上接收器及发送器就地接地点之间可以安全运行的最大共模电压。共模电压如果超出这个范围,EIA-485装置必然会出错导致通信失败，甚至造成更大的事故。

    为抑制对DMX512设备的于扰和根据电气安全法规，大部分安装中，线路的接地都连接到发送端的“电源地”上(即一点接地)。但是，在一个大型系统中，发送器和接收器广泛分布在建筑物内不同的位置或室外，每个当地的接地点之间可能会出现很大的电位差，这些电压是由于三相用电的不平衡致使接地回路有回流电流造成的。

    安装DMX512网络时，决定装置的DMX512电缆屏蔽是否连接到电源地上是最重要的。可用电压表测量装置连接器的1脚与电源地或机架地之间的电压来查明。如果全部装置（除发送控制台外）不接地，一般可以不必引起注意。但是系统中如有一台或多台装置接地，那么接收装置必须安装隔离电路与DMX512网络隔离。

  三、DMX512的寻址方法

    DMX512系统的寻址方法除可按顺序读出全部512个通道外，还有一种是用DIP波动开关调整基准地址的方法。

DIP波动开关是一种二进制特性的装置，它有“开”和“关”两种状态，与二进制计数中的“0”和“1”两种状态完全对应。如果采用两个DIP开关，那么可组成00、01、10/11共四种状态。DMX512有512个通道，因此需要用9个DIP开关组成的二进制开关组来表达。

DIP开关组的二进制通道的地址编码有基准0和基准1两种方式。

  1、基准0寻址法

    9个DIP开关组成的二进制数对应的通道地址是0~511.即通道1的编码为0（全部开关为“关”）；通道100的编码为99（001100011）；通道512 的编码为511（111111111）等。这种方法称为“基准0”编码。

  2、基准1寻址法

   9个DIP开关组成的二进制数对应的通道地址是1~512。即通道1的编码为1；通道100的编码就是100；通道512的编码就是512（111111111）等.这种方式称为“基准1”编码。“基准1”编码的512通道地址不供使用，或者通过开关码“0”选用，也可用第10个DIP开关选择512通道。

   在用DIP开关寻址时，由于各生产厂开关安装的方向不同，有些设备的DIP开关向上是“开”，另外一些设备的DIP开关向上是“关”。还有一些设备使用的是反相开关电路，即“码1”的开关为“关”，此时在“基准0”方式的设置中，通道1为（111111111），通道100为（110011100）和通道512为（000000000）。

    如果你没有生产厂的有关说明资料，可通过下面的实验方法确认。把全部开关置于“开”或置于“关”的位置来实验确认通道1。如果装置响应全部“开”，那么它是反相型开关。用这个实验可查明控制台的配接。

   3、超过512个通道的地址编码设置

   如果一个系统超过512个通道，必须使用附加的DMX512线路。例如，具有1024个输出的调光控制台，需具有两个DMX512输出端口，一个具有1536个输出通道的调光控制台则需要有三个DMX512输出端口。

每个接受器通常只有一个通道的输入口，可在1~512通道范围内选择寻址。为了把一个接收器选择相应第1200个输出通道，那么该接收器必须连接到调光控制台的输出端口3，并把地址调整到1200-512-512=176的通道位置上。

   四、调光台与调光器的互联配接

  实际工作中经常会遇到调光控制台的一个通道需控制几台调光器，或2台调光控制台的几个通道要同时控制一个调光器，或者为提高灯具使用寿命，发送到调光器的真实控制电平可按比例减少等。在DMX512中，这些复杂控制功能都可通过配接计算机或合并计算机来完成，从而使系统操作变得极为方便和容易。

  1、配接计算机

   配接计算机是DMX512的重要组成部分。这个装置用于接收DMX信号、重新编辑通道互联配接，解决一个道控制多台调光器的问题。

  2、合并计算机

   合并计算机把两个控制台各自独立发出的DMX512控制信号合并为一个复合信号，并以最高控制电平输出为优先权合并原则（即具有较高电平的输出数据流获胜），执行配接计算机类似的功能。

   未完待续！