舞台灯光网络系统控制器设计

丘伊澎

丘伊澎

广州市白云区文化馆广东广州510410

摘要：舞台灯光在舞台演出中起着至关重要的作用，有效控制舞台灯光，使灯光投射更准确对改善舞台灯光效果，提高演出质量具有十分重要的意义。本文对舞台灯光网络系统中的控制器设计进行了详细的介绍。

关键词：舞台灯光；网络控制系统；控制器；设计

0引言

随着各种照明技术、控制技术的发展，舞台灯光技术也得到了迅猛的发展，人们对舞台灯光效果的要求也越来越高。舞台灯光控制系统关系到舞台灯光效果的好坏，而以往的舞台灯光控制系统已无法满足当前的使用需求，舞台灯光网络控制系统逐渐取代其地位，在舞台演出中得到广泛应用。在舞台灯光网络控制系统中，网络系统控制器是不可或缺的一部分，其设计关系到网络控制系统的质量。对此，笔者对网络系统控制器的设计进行了相关介绍。

1网络系统控制器的总体介绍

舞台灯光作为舞台设计的一部分在很大程度上影响整个现场的效果。灯光网络控制系统因其超强的数据传输能力、纠错能力和设备加载扩充能力，已被应用在很多新建的大、中型剧场中。在舞台灯光控制室、可控硅室、假台口、天桥和栅顶等关键部位都设计了网络控制节点，配置了强大功能的网络交换机和各种网络设备，但要使得这些剧场中的灯光设备能完全加入到这整套网络系统中来，有一样关键性的设备是不可缺少的，那就是灯光网络节点控制器。笔者研发这款舞台灯光网络节点控制器，是通过专用灯光网络协议（Art-Net与ACN），将以太网数据映射并最终转换成普通的DMX灯光协议，把网络灯光数据转成多个串口数据并分送到各个设备上，使得终端的普通灯光设备也都能加入到整个网络控制系统中。

2网络节点控制器的多串口设计

由FPGA来实现多个串口。FPGA本身资源比较丰富，缓冲内存可以做在FPGA内部，简化了电路又便于维护。应用FPGA就是将整个系统设计成各个模块，8个双口RAM模块分别对应8个串口，每个串口模块都能够根据设置状态寄存器的值来实现发送串口或者接收串口。在将某个串口设成发送的模式下，串口模块由FPGA的定时器部分来决定每隔30ms发一帧。我们选择信号帧的周期是30ms是有原因的，一个DMX512信号帧，是由一个头是88μs的低电平，加上零号数据，再加上512个灯光数据组成，而每一个数据又都是由11位组成，其中1个启始位，8个数据位，最后2个结束位。保持250kb/s的速率发送的话，算出一个数据的传输时间是44μs，那么一般情况下大约23ms就可以发完一帧数据。还要考虑数据的帧和帧之间再留一些时间的空余，那么串口模块30ms发一帧完全符合设计要求。而MCU（MicrocontrollerUnit，微控制单元，又称单片机）只需要灯光数据更新的时候才会把数据写入每个串口所对应的双口RAM（RandomAccessMemory，随机存储器）中，由串口模块定时将其中数据读走并按照固定帧格式发送出去。因此，这种机制使得MCU不需要将大量宝贵的系统时间花费在数据的搬运上，使得系统的运行更有效率、更加准确，从而提高产品的可靠性和安全性。

在FPGA内设计了几个主要应用模块：双口RAM模块（见图1），串口发送模块，串口接收模块。

图1quartus环境里设计的双口RAM模块

3对数据传输阻塞的自动判别设计

从一般舞台灯光控制的经验来看，一场晚会或一次表演每一路灯光数据并不是时时刻刻在变化的，虽然DMX512信号数据是一帧一帧连续不断地发出的，但是大部分的时间里，其信号数据值是相同的。如果FPGA能够自己判断出前后两帧数据是否相同，那么这个问题也就迎刃而解了。这种方法的思路就是：如果前后两帧数据值相同，MCU就可以不理会，不向网络发新的数据包；如果它们不同，MCU再更新数据包。这样网络数据流量将会大大减少，MCU为搬动数据而花费的系统处理时间也会大大减少。

怎么比较呢？因为此时双口RAM的切换操作控制权交给了MCU，FPGA本身并不能直接控制当前提取的是哪一块的内容。但笔者分析发现，可以通过合理的方法来设计双口RAM模块功能来解决。因为串口中每一个接收进来的字节数据是放在一个特定的变量里，而根据设计的双口RAM的特性来看，前一帧的相同路径的数据放入双口RAM后将会出现在设计的UART_RAM1_b变量里，通过此变量数据和当前双口RAM单元中数据比较，就可以判断前后两帧灯光数据是否相同了。

4有关接口的设计

本网络节点控制器使用了W3150A加上RTL8201的组合。W3150A是一款硬件协议栈芯片，该芯片符合高速的数字化网络连接方案，同时将TCP/IP等协议栈嵌入到硬件当中。它的基本功能是将并行的8/16位数据或高速串行数据加以处理，将数据以TCP/IP或者以UDP/IP等协议传给以太网控制芯片，从而实现数据在以太网上的传输。RTL8201是专门用于以太网对接的芯片，它是一个单端口的物理层收发器，实现了全部的10M/100M以太网物理层功能，提供全/半双工操作、支持双绞线和光纤的输出。

5产品测试和系统分析

网络连接和灯光网络协议（Art-Net）的实现，我们使用了ARTNET网站上的ArtView软件来测试，这个软件是免费提供的。在一台PC机上安装此软件.

用一根交叉8芯普通五类网线将PC机和本以太网络转接器相连，将PC机网卡的IP地址设成：2.0.0.1，此软件界面就会显示出已经连接上了网络转接器。其左下角的工具栏里就会出现，有灯光网络节点设备连在网络上，IP地址是2开头的。

6结语

综上所述，舞台灯光在舞台表演中占据着十分重要的地位，优秀的灯光效果能够让舞台表演更加生动，更加吸引人。因此，必须要合理设计舞台灯光网络控制系统，使舞台灯光投射更加准确，改善舞台灯光的效果。本文介绍的舞台灯光网络系统控制器具有安全可靠的特点，在国内舞台灯光网络系统中已得到广泛的应用。

参考文献

[1]李钊海.浅议舞台灯光控制系统的设计[J].科技与企业.2015(03)

[2]范绪威,庄畅,杨勉.舞台多元素集中控制系统的应用探讨[J].演艺科技.2015(11)