单片机开发论文-DMX512灯光控制协议的传输特性及应用

1、摘要DMX512灯光控制协议，广泛应用于智能灯光群控系统。电脑控制台将512个受控通道的数据，以广播方式在总线上实时发布，节点设备按通道地址依次解码，从而实现对节点设备进行各种功能的逻辑控制和伺服控制。本论文主要通过详细分析DMX512灯光控制协议的传输特性及应用，并对RS-485接口技术进行细致的分析，再结合单片机技术来解决实现对DMX512信号的解码。关键词：DMX512灯光控制协议、RS-485接口技术、单片机、解码ABSTRACTDMX512 lighting control protocol, widely used in intelligent lighting group con

2、trol system. Computer console 512 controlled channel data broadcast on the bus real-time, node device in order according to the channel address decoding logic control and servo control of various functions in order to achieve the node device.In this thesis, mainly through a detailed analysis of DMX5

3、12 lighting control protocol transmission characteristics and detailed analysis, and RS-485 interface technology, combined with MCU technology to solve the DMX512 signal decoding.Key Words: DMX512 lighting control, RS-485 interface technology, MCU, decoding目 录第1章 引言11.1 课题背景11.2 课题研究的价值及意义11.3 课题的国内

4、外研究现状21.4 课题的难点、重点、核心问题及方向3第2章 研究的理论基础52.1 DMX512协议52.1.1 DMX512协议的发展历程52.1.2 DMX512信号格式52.1.3 信号的传输与设备连接82.2 RS-485 标准112.3 嵌入式处理器132.3.1 嵌入式微控制器132.3.2 嵌入式DSP处理器142.3.3 嵌入式微处理器142.3.4 嵌入式片上系统与可编程片上系统152.4 STC12C5A60S2单片机152.4.1 STC12C5A60S2 单片机简介152.4.2 STC12C5A60S2 单片机管脚图152.4.3 串行口2的工作方式162.4.4

5、定时器/计数器0的工作方式17第3章 系统构成及功能193.1 系统构成193.2 时钟模块的功能193.3 复位电路的功能203.4 RS-485接口电路的功能20第4章 系统设计214.1 开发工具简介214.1.1 Altium Designer214.1.2 Keil C51224.2 STC12C5A60S2单片机最小系统设计234.2.1 时钟电路的设计234.2.2 复位电路的设计244.3 RS485接口模块设计244.3.1 SN75176简介254.3.2 6N136简介264.3.3 带光电隔离的RS-485接口模块设计284.4 软件实现294.4.1 寄存器初始值设置

6、简要说明304.4.2 DMX通道表304.4.3 程序流程图及说明32第5章 总结与展望365.1 论文总结365.2 工作展望365.3 收获及体会36参考文献39致谢41附录1 DMX512解码系统原理图43附录2 DMX512解码程序45第1章 引言1.1 课题背景最初的灯光控制系统由一些简单的开关组成，要改变灯光的亮度只有靠遮挡、改变距离、调焦等方法来实现，后来发展到电阻器调光、变压器调光、磁放大器型调光等。随着可控硅技术的运用，调光技术有了很大的发展，调光器的体积大大缩小，灯光亮度的调整更为方便。一开始灯光控制台采用模拟技术，模拟调光系统的控制台一个推杆对应一个调光回路，一个回路就

7、需要连接一条信号线。虽然可以通过拨码开关来减少推杆的数量，通过多芯信号电缆来减少信号线缆的根数，但总的来说模拟调光技术信号线较多。同时，一致性较差，要实现信号的备份较困难，操作不太方便。除了一些小演播室还在使用外，模拟调光技术现在使用已不多。随着数字化技术及计算机技术的应用和普及，出现了电脑调光台，先后出现了D54、AVAB、CMX、PMX、EMX等模拟及数字通信协议。由于以上协议标准是各生产厂家各自的协议标准，因而它们之间的兼容性不好，设备之间的相互通用存在问题。后来，为了解决各个厂家设备通用性的问题，美国剧场技术协会(USITT)于上世纪80年代初制定了DMX512协议标准。DMX是Dig

8、ital Multiplex的缩写，译名为数字多路复用协议，协议制定后，又经过修改，USITT于1990年将DMX512协议更规范，形成了DMX512-1990，目前几乎所有的灯光及舞台设备生产厂商都支持此控制协议，作为广泛采用的数字灯光数据协议，DMX512-1990也成为灯光控制的国际标准。随着舞台表演事业的蓬勃发展，电脑灯的应用越来越广泛，技术也越来越成熟。现代科学的发展也使电脑灯的技术有了飞跃性的进步。现在的电脑灯已经从简单的筒子灯发展为集合信息科学、机械科学和光学等各学科先进技术于一身的智能化灯具。电脑灯的应用规模也从最初小剧场使用十几台，发展到上百台组成的灯光系统。据统计，近几年的

9、中央电视台春节联欢晚会使用的各类电脑总数都达到了上千台。1.2 课题研究的价值及意义DMX512协议标准的统一使得各厂家的设备可相互连接，兼容性大大提高，同时，由于DMX512协议采用串行方式进行数据发送和接收，因此控台与设备之间只要一根信号线即可，大大简化了控制台与设备之间的连接线。现在灯光控制系统已发展到网络化的灯光控制系统（控制协议有DMX512协议、ACN协议、Art-Net协议等），但DMX512信号系统仍是目前应用最广泛的灯光控制系统。即使是大型的网络化灯光控制系统，控制的末端仍然大量采用DMX512信号控制方式。1.3 课题的国内外研究现状电脑灯自上世纪八十年代出现以来，在世界各

10、地得到了广泛的应用。伴随着舞台表演事业的发展，对电脑灯的要求也越来越高：从最初的只需要完成照明任务发展到称为烘托表演氛围的重要手段。在这样的要求下，电脑灯吸纳了相关学科的各种新技术，成为了一种多功能、智能化的现代灯具。现在市场上的电脑灯根据其用途、生产厂商等功能各有不同，但大部分电脑灯都能够实现定位照明、光束移动、亮度调节、颜色变换、图案变换、快门频闪等功能。经过三十年的发展，电脑灯技术正日趋成熟，结合过去电脑灯的各项技术革新和当前相关科学的发展，可以预测电脑灯在未来发展中将呈现以下趋势Error! Reference source not found.：1.多功能化电脑灯相对只能实现简单照明

11、的普通灯具固然已经是一种多功能灯具，但随着相关技术的发展进步，电脑灯的功能必定会越来越趋于多样性。随着文化事业的日益发展繁荣和观众欣赏水平的不断提高，对舞台效果的要求也越来越高，这就对电脑灯的功能提出了各种新的要求。这是电脑灯趋于多功能化的必然前提。而信息科学、光学、机械学的新发展新技术则为电脑灯多功能化提供了必要的技术条件。自从电脑灯出现的那天起，电脑灯的功能就越来越多样，综上所述，多功能化是电脑灯发展的必然趋势。2. 智能化智能化是指电脑灯的操作具有更高的自动化程度，能够在无人工干预的条件下对运行状态进行实时监控，自动调整运行状态，使电脑灯正常工作。电脑灯从最初的人工控制到数字化控制，自动

12、化程度越来越高。现在很多大型灯光系统中经常出现几百台电脑灯同时工作的情况，对如此复杂的调光系统进行人工调整是十分困难的，这就依赖于电脑灯自身的智能化控制。随着灯光系统复杂程度的提高，未来的电脑灯智能化程度必然越来越高。3.网络化随着网络技术的飞速发展，人类社会已经进入网络化、信息化时代，人们的生活几乎已经离不开网络。小至家用电器，大至工厂设备都提出了网络化控制的要求。灯光系统的网络化控制也有诸多好处。网络化的趋势从 ACN 协议、Art-Net协议等基于网络化应用的协议的提出和广泛应用也可见一斑。4.节能化节能环保是当今社会的一大主题，电脑灯作为一种能耗较大的设备自然也应有这方面的要求。传统的

13、电脑灯功率通常都在500W以上，很多高亮度的电脑灯功率都在1500W以上。目前各大电脑灯生产厂商都在积极推广LED光源的电脑灯，这种灯具在节能方面相对金属卤化物灯有明显的优势。本文设计的电脑灯采用RGB激光器作为光源，原因之一也是出于节能环保的目的。1.4 课题的难点、重点、核心问题及方向DMX512数据包是从电脑灯光控制台发出，通过电脑灯中DMX解码模块解码再根据解码出的数据来控制电脑灯的动作。DMX512数据包中包含512帧控制信号，而一般舞台灯光都是至少好几个电脑灯以上，电脑灯根据自身内部需要一般都要占用十几个甚至几十个通道，为了区分每一帧控制信号指向哪个设备的哪个通道，就要为全部受控通

14、道进行编码。由于单片机各种资源有限，而且DMX512信号的解码以及DMX512通道数据的处理是同一个单片机处理，所以在设计时需要为以后的DMX512通道数据处理预留足够的资源，故不可能将512帧数据全部接受，所以关键的问题就是每个电脑灯中的解码器如何高效地从512帧控制信号中提取自己通道所对应的控制信号并且使用到的资源最少。最终的目标是实现准确地解码，从而实现对电脑灯地准确控制。DMX512信号解码软硬件系统主要是运用单片机技术，以及DMX512协议以及一些数字技术来实现的。实施方案：首先，分析DMX信号，分析DMX512数据包；其次，搭建单片机最小系统，以及设计DMX512接口电路、串口通信

15、电路；然后，编写单片机程序实现DMX512解码；最后，调试整个DMX512解码器。整个系统的软、硬件设计过程采用从上到下的设计方法，即先总体设计，然后再设计各功能模块。这样，一方面使设计思路清晰，另一方面便于各个模块单独设计和调试。第2章 研究的理论基础2.1 DMX512协议2.1.1 DMX512协议的发展历程20世纪中期随着舞台演艺事业和灯具制造业的发展，舞台灯光控制技术开始出现并得到发展。最初的灯光控制系统非常简单，且主要依靠手工操作，如用开关控制灯的亮灭，用挡板、改变距离、调焦等手段实现灯光亮度的控制。这时的调光系统不但体积庞大，而且需要很多人工操作，效率很低。随着电阻器调光、变压器

16、调光、磁放大器调光等技术的出现，调光系统对人工操作的依赖性降低，调光效率大大提高。灯光控制台的出现使得灯光控制系统的体积大大缩小，它将所有控制端集合起来，使调光操作更方便高效。但最初的调光台采用模拟线路，一个控制杆或旋钮对应一个调光器，每个调光器都有一根独立的信号线。这样一个庞大的灯光系统就需要几十乃至上百根连线，这样的调光系统不但连线复杂，而且同步性较差，操作十分不便。数字技术的应用解决了这一问题。应用串行方式传输，原来几十乃至上百根电缆上传输的数据可以同时在一根信号线上传输，这样不但减少了连线，还使数据同步性更好且方便存储控制信息。数字技术的应用使调光系统趋于成熟。然而80年代中期最早使用

17、数字协议进行调光的一些厂商各自提出了适用于自己产品的控制协议，这使得用不同厂商的灯具组成灯光系统时，出现了兼容性的问题。为解决这一问题就需要有一个统一的、公认的灯光控制协议，由此DMX512协议诞生了。1986年在美国加利福尼亚州奥特兰举办的一次美国剧场技术协会（USITT）会议上，世界上一些灯具生产商讨论了这一问题，并起草了DMX512协议。DMX全称是Digital Multiplex，意为数字多路复用。1990年USITT又对这一协议进行了修订，形成了我们今天看到的DMX512协议Error! Reference source not found.。2.1.2 DMX512信号格式DMX

18、512协议以帧为单位，每帧数据由同步头和512个字节组成，以符合EIA 485标准的串行方式进行数据发送和接收，数据传输速率为250KBit/秒。一个字节又和一个起始位和两个结束位一起组成一个帧。第一个字节是起始字节，接下来的字节是传送到控制设备上的数据。这一标准最开始是为调光器设计的，所以控制数据的第一字节是给回路1的，第二个字节给回路2，依次类推，直到最后一个字节传给第512回路。DMX512控制协议假设接收器的最小存储量，即使没有一个字节改变，也会连续不断的发送信息。一个完整的DMX512信息包Error! Reference source not found.(Packet)由一个MT

19、BP位、一个Break位、一个MAB位、一个START CODE和512个数据帧构成。表2-1是DMX512信息包的定时表,表中NS意为Not Specified，宽度没有严格限制，由程序设计者自行决定。DMX512信号的数据格式如图2-1所示：图2-1 DMX信号的帧结构（上图）和数据包结构（下图）IDLE(空闲的)or NO DMX situation：当没有 DMX 数据包输出时，将是一个高电平信号。BREAK：DMX 数据包的开始是一个至少88s的低电平输出的预报头。根据经验，人们发现一个大于88s的BREAK将更有利于发送和接收，一般在设计时将它设计为120s。MARK AFTER

20、BREAK(MAB)：MAB是BREAK后是一个8s的高电平或 2 个脉冲。旧版本的DMX标准为4s或1个脉冲，在连接老的控制台时会产生数据的混乱。MAB也可设置为12s。START CODE(SC)起始码：SC是数据流开始的通道数据，它具有与通道数据相同的格式，一般为11个脉冲或44s。MARK TIME BETWEEN FRAMES(MTBF)：在每个通道起始位前可以有MTBF，为高电平，时间小于1s。MARK TIME BETWEEN PACKETS(MTBP)：在有效数据发送完毕后发送高电平，时间小于1s。表2-1 DMX512信息包定时表描述最小值典型值最大值单位BREAK8888M

21、AB8START CODE44START BIT4STOP BIT8DATA BIT4MTBF0NSMTBP0NSDMX512数字信号由起始码和512个数据帧组成。数据帧内包含一个开始位(低电平)，8位数据和两个停止位(高电平)，没有奇偶校验，也就是说一个数据帧有11个位元。每一位的宽度是4s，发送一个帧需要44s的时间。由于每一位的时间是4s，所以DMX512信号数据传输速率为250Kb/s。8个数据位用来传送数据，传送的数据范围为0到255，共256个级别。DMX512信号的同步头告诉接收设备：后面有512个字节(Byte)的串行数据发送过来，请做好接收准备工作。对于调光系统，每一个字节数

22、据表示每一路的调光亮度值，0255代表 0%100%的亮度值。一个DMX512信号的最大控制回路为512路(可在512基础上复加成1024/2048回路等)。对于电脑灯，这512个数据表示其它的含义，有的表示亮度，有的表示颜色，有的表示图案等等。START CODE(SC)起始码：SC是数据流开始的通道数据，它具有与通道数据相同的格式，一般为11个脉冲或44s。表2.1 是DMX512信息包的定时表,表中NS意为Not Specified ,宽度没有严格限制,由程序设计者自行决定,比如MTBP的宽度可以介于01秒之间。调光控制台每发送一个信息包,可以对全部512个受控通道形成一次全面的控制。发

23、送一个信息包的时间大约是23 ms ,每秒钟将对所有512个受控通道完成44次控制,即受控光路的刷新频率44Hz ,如果实际受控通道少于512个,那么刷新频率将相应提高。2.1.3 信号的传输与设备连接2.1.3.1 信号传输及接口DMX512 信号的传输采用平衡传输差模信号方式，这种方式能有效地抑制干扰4。因为干扰信号一般是同相(共模)加在信号的正负端上，经差分放大器后。共模信号被相互抵消，滤除了干扰信号，有效地提高系统的抗干扰能力。DMX512信号的电器接口标准为EIA-485，接插件为5芯的XLR插头、座(也有采用3芯XLR接口的)。引脚定义如下：1：信号地(屏蔽层)；2：DMX信号1(

24、-)黑色；3：DMX信号1(+)白色；4：DMX信号2(-)绿色；5：DMX信号2(+)红色。一般DMX设备使用了 1，2，3 三个引脚，有时为了实现信号的备份，如一个硅箱对应两个调光台(一主一备)，则一路信号用2，3两脚，一路信号用4，5两脚，地线共用。还有的设备厂家，如换色器的设备生产厂家，把4，5两脚用来给换色器的电机供电(有高压低压两种)，在连接、维修或更换设备时要注意区别。表2-2 DMX信号引线功能脚引脚功能1接地2DMX512信号1反向端3DMX512信号1同向端4DMX512信号2反向端5DMX512信号2同向端2.1.3.2 DMX设备的之间连接一个灯光系统中通常包括多台灯具

25、，另外除电脑灯外，系统中一般还包括硅箱、换色器、电源控制器等其它DMX512设备，在系统中这些设备共用一路DMX512信号，它们之间采用级联的方式构成调光系统。每台DMX512设备有一个信号输入口和一个信号输出口，如图 2-2 所示。图2-2 某DMX51设备接口当信号从输入端进入后，设备根据本机的地址编码截取DMX512信号中对应本机的数据帧，这部分信号经处理后解码出对本机的控制指令，其余的信号经缓冲隔离由输出口接入下一台DMX512设备。这一过程的示意图如图2-3。图2-3 灯光设备DMX接口简化电路设备之间的连接采用菊花链的形式，DMX设备的之间的连接方式如图 2-4 所示，一般每个设备

26、都有一个信号输入口和一个信号输出口(或称为THRO口)。下一台设备的输入口接上一台设备的输出口，如此相互串接。一个DMX512输出口可以控制512个控制通道，但一般一条线路上只能驱动32台数字设备，假如接收端全部采用对信号衰减小的电路来接收信号，如采用MAXIM公司生产的MAX487集成电路来接收信号，那么一个DMX输出接口则能驱动 128 台数字设备。通常设备较多时，需使用DMX信号放大器。另外DMX信号的传送距离在使用标准电缆的情况下约300米左右，超过此距离，应使用信号放大器。为了消除信号传输中的杂波反射现象，在一个多台设备单元的DMX链路中，应在最后一台灯光设备的信号输出口接一个阻抗约

27、为120/0.25W的终接负载，实现阻抗匹配。现在数字灯光设备本身有自动检测的功能，能够自动的进行设置。图2-4 DMX设备连接方式2.1.3.3 DMX512设备的地址码基于DMX512控制协议的每台灯光设备都需要被赋予一个数字启动地址编号,这个地址编号即该灯光设备的地址码Error! Reference source not found.。地址码用于DMX512控制信号的寻址,以保证设备只对属于“自己的”控制信号产生反应。地址码其实是灯光设备控制通道的起始序号。当DMX512信息包的通道号(帧序号) 与某灯光设备的地址码即所赋予的通道起始序号相同时,设备就开始对DMX512控制信号进行解码

28、并产生控制动作。与此同时,其他处于同一条链路上的灯光设备对DMX512控制信号没有反应。直到DMX512信息包的控制通道号过渡到与下一台灯光设备所赋予的通道起始序号相同时,该设备停止受控,同时下一台灯光设备的地址码发挥作用,处于受控状态。以电脑灯为例,假设某DMX控制端口驱动若干台电脑灯,则第一台电脑灯的起始地址码是001,第二台电脑灯的起始地址码是001加第一台灯的DMX通道数,以此类推。比如,第一、第二台电脑灯的通道数分别为16和20 ,则第一台电脑灯的起始地址码是001 ,第二台电脑灯的起始地址码是017 ,第三台电脑灯的起始地址码是037。最后一台电脑灯的起始地址码与其通道数相加不能超

29、过512 ,如还有剩余的电脑灯,则应启用控制台的下一个DMX控制接口。2.2 RS-485 标准电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布RS-485标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为RS-485标准。RS-485标准是为弥补RS-232通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485 标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。RS-485标准与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定

30、义为B，如图2-5所示。图 2-5 RS-485 发送器的示意图通常情况下，发送发送器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS-485器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。当在接收端A-B之间有大于+200mV的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200mV时，输出为负逻辑电平。在接

31、收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200mV至6V 之间。参见图2-6所示。图2-6 RS-485 接收器的示意图定义逻辑1（正逻辑电平）为BA的状态，逻辑0（负逻辑电平）为AB 的状态，A、B之间的压差不小于200mV。TIA/EIA-485串行通讯标准的性能如表2-3所示：表2-3 TIA/EIA-485通讯方式的性能规格TIA/EIA-485传输模式平衡电缆长度90Kbps4000ft（1200m）电缆长度10Mbps50ft（15m）数据传输速度10Mbps最大差动输出最小差动输出接收器敏感度发送器负载60最大发送器数量32单位负载最大接收器数量32单位负载RS-485标准的最大传

32、输距离约为1219米，最大传输速率为10MbpsError! Reference source not found.。通常，RS-485网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，只有在20kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。注意：并不是所有的RS-485收发器都能够支持高达10Mbps的通讯速率。如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。RS-485 网络采用直线拓朴结构，需要安装2个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般取

33、值为120）。在矩距离、或低波特率波数据传输时可不需终端匹配电阻，即一般在300米以下、19200bps不需终端匹配电阻。终端匹配电阻安装在RS-485传输网络的两个端点，并联连接在A-B引脚之间。RS-485标准通常被用作为一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远、宽共模范围的通信平台。同时，RS-485电路具有控制方便、成本低廉等优点。在过去的20年时间里，建议性标准RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网络中，RS-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在R

34、S-485总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。2.3 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。嵌入式处理器Error! Reference source not found.主要包括嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式微处理器、嵌入式片上系统与可编程片上系统。下面对上述四种嵌入式处理器作简要的介绍。2.3.1 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式

35、微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时坩数器、WatchDog、IO、串行口、脉宽调制输出、AD、DA、Fbsh RAM、EEPROM等各种必要功能和外部设备。为适应不同的应用需求，一般来说，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外部设备的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相莲配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性增强。比较有代表性的包括8051、MCS251、MCS96/196/296、P51XA、C

36、166/167、68K系列以及MCU 8XC930/931、C540、C541。单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置 ，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物、自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械等等。2.3.2 嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器专门用来对离散时问信号进行极快的处理计算，提高了编译效率和执行速度。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于

37、执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP处理器的应用，正在从通用单片机中以普通指令实现D6P功能过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是沿处理器经过单片化设计、改造，增加片上外部设备，成为高性能DSP功能的SOC，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，如Intel的MCS-296和Sknmas公司的Triodeo。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMST20系列和Motorola的DSP56000系列。DSP处理

38、器主要运用于图像处理，音视频解码等需要大量的浮点、向量运算运用的场合。2.3.3 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都作了各种增强。主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将

39、通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。2.3.4 嵌入式片上系统与可编程片上系统随着集成电路技术自身的不断发展、器件特征尺寸的不断缩小、集成度的不断提高、多种工艺及工艺集成技术的发展、设计方法的创新和EDA工具的发展，在技术上提供了将一个应用系统融合为SOC的可能。进入21世纪后，集成电路设计进入了高度集成的SOC时代，采用SOC设计技术，可大幅度提高系统的可靠性，减小系统的面积，降低成本和功耗，极大地提高系统的性能价格比。SOC技术的出现，表明了微电子由IC(电路集成)向IS(系统集成)的发展，以功能设计为基础的传统IC转向以功能整合为基础的SOC设计。面向嵌入式系统的SOC设计将是

40、推动未来集成电路设计业的重要因素。2.4 STC12C5A60S2单片机本设计即DMX512信号解码系统中，核心处理器只需对DMX512信号进行解码接收以及信号接收后的处理，没有大量的数据通信及大量的运算，而且对速度等方面的要求亦是单片机就可以满足的，故本次设计采用的是价格低廉及资源丰富的嵌入式微控制器及单片机作为DMX512信号解码系统的核心芯片。而市场上一般的51系列单片机的资源及波特率无法满足DMX512信号解码系统的要求，故本设计采用的51系列单片机的升级版STC（晶宏科技）公司的STC12C5A60S2Error! Reference source not found.系列单片机，并

41、采用STC12C5A60S2的串行口2作为单片机跟电脑控台通信的串行口，而串行口1则用作程序下载及与其他设备的通信。下面对STC12C5A60S2单片机作简要的介绍以及对串行口2和定时器作详细介绍。2.4.1 STC12C5A60S2单片机简介STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)。针对电机控制，强干扰场合。2.4.2 STC12C5A6

42、0S2单片机管脚图STC12C5A60S2系列单片机有LQFP-48、LQFP-44、DIP-40、PLCC-44、QFN-40五种管脚封装。本设计中采用的是LQFP-48封装，其管脚图如图2-7所示。图2-7 LQFP-48封装管脚图2.4.3 串行口2的工作方式STC2C5A60S2系列单片机的串行口2有4种工作模式，可通过软件编程对S2CON中的S2SM0、S2SM的设置 行选择。其中模式1、模式2和模式3为异步通信，每个发送和接收的字符都带有1个启动位和1个停止位。在模式0中，串行口被作为1个简单的移位寄存器使用。2.4.3.1 串行口2的工作方式0串行数据通过RxD2/P1.2(Rx

43、D2/P4.2)接收和发送，TxD/P1.3(TxD/P4.3)输出同步移位时钟，发送接收的是8位数据，低位在先，波特率固定在SYSclk/12。串行口2的模式0作和串行口1的模式0作方式相同。串口2波特率在模式0 = SYSclk系统工作时钟频率/12。2.4.3.2 串行口2的工作方式1十位数据通过RxD2/P1.2(RxD2/P4.2)接收，通过TxD/P1.3（TxD/P4.3）发送，一帧数据包含一个起始位(0),8个数据位和一个停止位(1)。接收时，停止位进入特殊功能寄存器S2CON的S2RB8位。波特率由独立波特率发生器BRT的溢出率决定。串口2波特率在模式1 =。BRT独立波特率

44、发生器的溢出率=SYSclk/12/(256-BRT),当BRTx12=0时；BRT独立波特率发生器的溢出率=SYSclk/(256-BRT),当BRTx12=1时。2.4.3.3 串行口2的工作方式211位数据通过RxD2/P1.2(RxD2/P4.2)接收，通过TxD/P1.3(TxD/P4.3)发送。一帧数据包含一个起始位(0),8个数据位，一个可编程的第9位和一个停止位(1)。发送时，第9位数据位来自特殊功能寄存器S2CON的S2TB8位；接收时，第9位进入特殊功能寄存器S2CON的S2RB8位。波特率可编程为系统时钟频率：SYSclk/32或者SYSclk/64，串口2工作在模式2和

45、串口1工作在模式2是相同的。串口2波特率在模式2 =。2.4.3.4 串行口2的工作方式3波特率是可变的，其它和模式2相同11位数据通过TxD2/P1.3(TxD2/P4.3)发送，通过RxD2/P.2(RxD2/P4.2)接收。一帧数据包含一个起始位(0)，8个数据位，一个可编程的第9位，和一个停止位(1)。发送时，第9位数据位来自特殊功能寄存器S2CON的S2TB8位；接收时，第9位进入特殊功能寄存器S2CON的S2RB8位。串口2波特率在模式3 =。BRT独立波特率发生器的溢出率=SYSclk/12/(256-BRT),当BRTx12=0时；BRT独立波特率发生器的溢出率=SYSclk/

46、(256-BRT),当BRTx12=1时。2.4.4 定时器/计数器0的工作方式STC2C5A60S2系列单片机有4个定时器，其中定时器0和定时器1两个16位定时器，与传统8051的定时器完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当两个8位定时器用(另外2路PCA/PWM可以再实现2个16位定时器)。由于论文中只用到了定时器0，故下面只对定时器0的工作方式作简要的介绍。2.4.4.1 模式0（13位定时器/计数器）将定时器设置成模式0时类似8048定时器，即8位计数器带32分频的预分频器。此模式下，定时器0配置为13位的计数器，由TL0的低5位和TH0的8位所构

47、成。TL0低5位溢出向TH0位，TH0计数溢出置位TCON中的溢出标志位TF0。GATE(TMOD.3)=0时，如TR0=1，则定时器计数。GATE=1时，允许由外部输入/INT控制定时器1，/INT0控制定时器0，这样可实现脉宽测。TR0为TCON寄存器内的控制位。STC12C5A60S2系列单片机的定时器有两种计数速率：一种是12T模式，每12个时钟加1，与传统8051单片机相同；另外一种是1T模式，每个时钟加1，速度是传统8051单片机的12倍。T0的速率由特殊功能寄存器AUXR中的T0x12决定，如果T0x12=0，T0则工作在12T模式；如果T0x12=1，T0则工作在1T模式。该模

48、式下的13位寄存器包含TH0全部8个位及TL0的低5位。TL0的高3位不定，可将其忽略。置位运行标志（TR0）不能清零此寄存器。模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的。2个不同的GATE位（TMOD.7和TMOD.3）分别分配给定时器1及定时器0。2.4.4.2 模式1（16位定时器/计数器）模式1除了使用了TH0及TL0全部16位外，其它与模式0完全相同。故此处不再详细介绍，详情见2.4.4.1。2.4.4.3 模式2（八位自动重装模式）此模式下定时器/计数器0作为可自动重装载的8位计数器，TL0的溢出不仅置位TF0，而且将TH0的内容重新装入TL0，TH0内容由软件预置，重装时TH0

49、的内容不改变。2.4.4.4 模式3（两个八位计数器）对定时器0，此模式下定时器0的TL0及TH0作为2个独立的8位计数器。下图为模式3时的定时器0逻辑图。TL0占用定时器0的控制位：C/T、GATE、TR0、INT0及TF0。TH0限定为定时器功能（计数器周期），占用定时器1的TR1及TF1。此时，TH0控制定时器1中断。模式3是为了增加一个附加的8位定时器/计数器而提供的，使单片机具有三个定时器/计数器。模式3只适用于定时器/计数器0，定时器T1处于模式3时相当于TR1=0，停止计数，而T0可作为两个定时器用。第3章 系统构成及功能3.1 系统构成DMX512总线控制技术广泛应用于智能灯光

50、控制群，而DMX512解码系统作为智能电脑灯的一部分，主要负责DMX设备跟电脑控制台之间的通信，即对总线上广播的信息进行解码，选出DMX设备所需要的通道数据。DMX512解码系统采用STC12C5A60S2单片机作为解码系统的核心，鉴于STC12C5A60S2单片机各类资源并不是特别丰富，而且现在的这种DMX512电脑灯设备都是成套成套的，所以设计中就没有添加起始地址码的编码模块，而是通过软件在程序直接设定好设备的起始地址码。为实现DMX512解码系统的功能，该解码系统必须包括时钟模块、复位电路、DMX512电平转换模块、串口通信模块。系统框图如图3-1所示。MCU时钟模块串口通信 程序下载复

51、位模块RS-485接口DMX512信号接入图3-1 DMX512解码系统框图3.2 时钟模块的功能时钟电路Error! Reference source not found.是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏，驱动着单片机执行指令。51系列单片产生时钟的方式有两种。一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信端。XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器号；另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。本设计采用的是内部时钟方式，即在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器。3.3 复位电路的功能复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一

52、样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都 要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。复位电路的主要作用是使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，单片机结束复位状态并从用户程序区的0000H处开始正常工作。3.4 RS-48

53、5接口电路的功能RS-485接口电路是本设计能否成功的核心电路，RS-485接口电路是电脑控台与DMX512设备通信的关键。RS-485接口电路的主要功能是实现DMX512总线信号与单片机能识别的TTL信号之间的转换，从而保证单片机能准确确地接收到正确的DMX512信号。第4章 系统设计DMX512信号解码系统的电路系统可分为硬件和软件两大部分，硬件部分的原理图、电路版图由Altium Designer 6.9软件为平台绘制，软件部分用 C 语言编写，基于Keil Vision3平台。根据3.1节的内容可知，电路系统的设计主要完成两项工作：STC12C5A60S2单片机最小系统设计；RS-48

54、5接口电模块的设计。根据这两项设计可知，电路系统主要又两个模块组成：最小系统模块及RS-485接口模块。4.1 开发工具简介4.1.1 Altium Designer目前，随着电子工业的飞速发展，新型器件尤其是集成电路的不断涌现，电路板设计越来越复杂和精密，手工设计越来越难适应形势发展的需要。计算机的普及和发展很好的解决了这个问题。人们可以利用商品化的电子CAD辅助设计软件进行辅助设计。这些软件有一些共同的特征，他们那都能够协助用户完成电子产品的设计工作，比较完善的电子线路 CAD 软件至少具有自动布线的功能，更完善的还应有自动布局、逻辑检测、逻辑模拟等功能。Altium DesignerEr

55、ror! Reference source not found.就是这类软件的杰出代表。Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进

56、和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。其操作界面如图4-1所示。图4-1 Altium Designer 6.9操作界面4.1.2 Keil C51图4-2 Keil uVision3操作界面KeilError! Reference source not found.是

57、美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。其操作界面如图4-2所示。4.2 STC12C5A60S2单片机最小系统设计4.2.1 时钟电路的设计时钟模块采用内部时钟工作方式。通过对DMX512信号的分析及对STC12C5A60S2单片机的了解，DMX512信号中的每个通道数据都是1位开始位、8位数据位以及2位停止位，共11位，故串行口2的工作方式只能是在2和3之间选择，而对于市场上一般的晶振