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多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)包括軟件部分和硬件部分，下面主要介紹下硬件設(shè)計(jì)部分，其構(gòu)架如圖1所示。

1、多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)

多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)原理主要是通過(guò)控制電機(jī)來(lái)達(dá)到相關(guān)的效果，在視覺(jué)上有沖擊感，給人印象深刻。

該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件部分包括主控器，中繼器和驅(qū)動(dòng)器，軟件部分包括客戶(hù)端，協(xié)議，主控程序和驅(qū)動(dòng)程序等。

2、多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)構(gòu)架

其構(gòu)架圖如圖1所示：

圖1 多點(diǎn)矩陣控制系統(tǒng)架構(gòu)

3、硬件部分

3.1主控器

主控器的功能主要是接收客戶(hù)端發(fā)送的指令，通過(guò)USB來(lái)進(jìn)行通信，目前主控這部分

采用的是STM32F103CB，其主要參數(shù)指標(biāo)如圖2所示：

其工作電壓是0~3.6V，最高工作頻率可達(dá)72MHz，所對(duì)應(yīng)的接口有USB2.0，3路UART，2路IIC，2路SPI以及還有CAN，其Flash為128Kbytes，SRAM為20Kbytes。

在能耗方面具有三種工作模式：睡眠模式，待機(jī)模式和停止模式，其模式的設(shè)置可以詳見(jiàn)手冊(cè)。

圖2  STM32F103CB 參數(shù)特點(diǎn)

其主控的MCU部分原理圖如圖3所示，其工作電壓為是3.3V，工作溫度范圍：-40~85℃。在功耗方面也很低，工作模式下電流約為50mA，待機(jī)模式下電流約為300uA。這里把需要能用的通信接口都 預(yù)留出來(lái)，方便后期開(kāi)發(fā)。

圖3STM32F103CB

3.1.1串口轉(zhuǎn)485

485的接口IC采用的SN75176A，性能方面優(yōu)于MAX485，具體表現(xiàn)如表1所示：

表1 SN75176A與MAX485對(duì)比

SN75176A內(nèi)部邏輯見(jiàn)圖4

圖4SN75176A內(nèi)部邏輯圖

MAX485內(nèi)部邏輯見(jiàn)圖5

圖5MAX485內(nèi)部邏輯圖

由圖4和圖5可見(jiàn)，內(nèi)部邏輯大體類(lèi)似。

UART轉(zhuǎn)485電路如圖6所示：接口做了防靜電處理，靜電等級(jí)空氣8kV，接觸6kV，對(duì)應(yīng)的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲能夠起到良好的保護(hù)作用。

圖5UART轉(zhuǎn)RS485

3.1.2TF卡

考慮到后期會(huì)用到脫機(jī)工作的需求，所以可以將程序保存在TF卡里，MCU通過(guò)SPI的通信方式將命令讀取來(lái)執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。TF卡如圖6所示

圖6TF卡引腳說(shuō)明

其電路如圖7所示，工作電壓是3.3V

圖7TF卡SPI通信方式

3.1.3BOOT選擇啟動(dòng)方式

BOOT的啟動(dòng)方式有用戶(hù)閃存，ISP下載以及內(nèi)部的RAM，通過(guò)BOOT0置零和置1來(lái)

選擇對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)方式，具體見(jiàn)圖8所示：

圖8 BOOT啟動(dòng)方式的選擇

3.1.4MicroUSB接口

通過(guò)該接口可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，收發(fā)命令。接口防靜電采用了TPD2E001DZDR通過(guò)它可以有效的

抑制靜電干擾，保護(hù)了后級(jí)主控MCU。電路如圖9所示：

圖9Micro USB接口

3.1.5DC TO DC

該主控器是采用了外部適配器供電，適配器規(guī)格為AC220V TO DC24V2.5A，該

MCU的工作電壓為3.3V，SN75176A的工作電壓為5.0V，所以先將24V通過(guò)AP1509穩(wěn)壓出5V，然后見(jiàn)5V通過(guò)

LDO穩(wěn)壓出3.3V，具體如圖10所示：

圖10 DC TO DC

3.1.6下載接口

該MCU具有兩種下載接口模式，分別為JTAG和SWD，為了操作簡(jiǎn)便，使用起

來(lái)更加便利，因而采用了SWD的方式，SWD下載線的定義為：VCC，SWDIO，SWCLK，GND。

3.1.7復(fù)位電路

該復(fù)位電路是在關(guān)鍵時(shí)刻能起到復(fù)位作用，通過(guò)按下按鍵，復(fù)位口檢測(cè)到低電平，然

后觸發(fā)MCU進(jìn)行復(fù)位操作，電路具體如圖12所示：

圖12復(fù)位電路

3.1.8指示燈

該指示燈可以通過(guò)程序來(lái)控制燈的亮滅，從而知道程序是否有響應(yīng)等等，其狀態(tài)可以自由定義，很便捷。具體如圖13所示：

圖13指示燈

3.2中繼器

中繼器的功能主要是將一路485分成8路485輸出，保證其每一路的輸出能力，能夠將承載的設(shè)備最大化。

圖14  一路分多路輸出

在輸入口通過(guò)SN75176A識(shí)別485接口，然后轉(zhuǎn)換成串口來(lái)發(fā)送信號(hào)，其供電方式是采用了AP1509，其最大輸出電流可達(dá)2A，完全滿(mǎn)足要求，具體如圖15所示：

圖15 分路供電

在接收到分路信號(hào)后，需要通過(guò)光耦進(jìn)行隔離處理，然后在通過(guò)SN75176A轉(zhuǎn)換出485電器接口，總共有8路輸出。

為了保證每?jī)陕范加凶銐虻墓ぷ麟娏?，而不浪費(fèi)資源，采用AP1509能夠足夠的提供每?jī)陕返墓ぷ麟娏?，具體電路如圖17所示：

圖17  每?jī)陕饭╇姴糠?/span>

3.3驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器的功能主要是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度，速度調(diào)節(jié)等。

3.3.1 主控MCU

該MCU采用的和主控器上的是一樣的，方便后期物料管理方便，詳細(xì)參數(shù)就不一一羅列。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)電路

該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是TI 的DRV8825，其工作電壓范圍：8.2V~45V，最大可達(dá)2.5A。

的驅(qū)動(dòng)能力，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方面應(yīng)用比較廣，可以達(dá)到32細(xì)分。電路圖如圖19所示

圖19  步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

細(xì)分模式選擇如圖20所示：

圖20 細(xì)分模式選擇

3.3.4 RS485轉(zhuǎn)UART

RS485通過(guò)SN75176A轉(zhuǎn)換成UART，把數(shù)據(jù)發(fā)給MCU來(lái)做處理。如圖21所示：

圖21 RS485轉(zhuǎn)UART

3.3.5 DC TO DC

該驅(qū)動(dòng)器采用獨(dú)立的適配器供電，電源是AC220V~DV24V2.5A，穩(wěn)壓方式和主控器是一樣，具體如圖22所示：

圖22 DC TO DC電路

3.3.6 BOOT啟動(dòng)方式選擇

BOOT通過(guò)選擇0或1來(lái)切換啟動(dòng)方式，具體如圖23所示：

圖23 BOOT啟動(dòng)方式選擇

4、軟件部分

4.1客戶(hù)端

客戶(hù)端只要是將圖片的灰階度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的ID和數(shù)據(jù)，然后通過(guò)USB接口傳送到主控器，經(jīng)過(guò)主控器識(shí)別解碼后，再生成DMX512的數(shù)據(jù)格式來(lái)通訊。在客戶(hù)端的圖片采集其每個(gè)對(duì)應(yīng)的ID的圖片值，也就是灰度值，通過(guò)灰度值來(lái)確定電機(jī)要轉(zhuǎn)的圈數(shù)。舉例如圖24所示：

圖24 舉例圖

灰度色值表如圖25所示：

圖25 灰度色值

4.2協(xié)議

DMX 是Digital MultipleX 的縮寫(xiě)，意為多路數(shù)字傳輸(具有512條信息的數(shù)字多路復(fù)用”)。DMX512控制協(xié)議是美國(guó)舞臺(tái)燈光協(xié)會(huì)(usITT)于1990年發(fā)布的燈光控制器與燈具設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全稱(chēng)是USITTDMX512(1990)；

DMX512 在其物理層采用EIA-485差分信號(hào)，結(jié)合可變尺寸，基于分組的通信協(xié)議。它是單向的。DMX512不包含自動(dòng)錯(cuò)誤檢查和糾正功能，因此不適用于危險(xiǎn)應(yīng)用，如煙火或舞臺(tái)裝置的移動(dòng)。電磁干擾，靜電放電，不正確的電纜端接，電纜過(guò)長(zhǎng)或電纜質(zhì)量都可能造成虛假觸發(fā)，但是在連接控制器(如照明控制臺(tái))與調(diào)光器和特效設(shè)備等都有廣泛應(yīng)用。

4.2.1 DMX512指令幀介紹

每一個(gè)DMX 控制字節(jié)叫做一個(gè)指令幀，稱(chēng)作一個(gè)控制通道，可以控制燈光設(shè)備的一個(gè)或幾個(gè)功能。一個(gè)DMX 指令幀由1個(gè)開(kāi)始位(S)、8個(gè)數(shù)據(jù)位(D0-D8)和2個(gè)結(jié)束位(E)共11位構(gòu)成，采用單向異步串行傳輸，如圖26所示。

圖26 DMX512 定時(shí)程序的幀結(jié)構(gòu)(上圖)和信息包結(jié)構(gòu)(下圖)

圖26 中虛線內(nèi)控制指令中的S 為開(kāi)始位，寬度為一個(gè)比特，是受控?zé)艟邷?zhǔn)備接收并解碼控制數(shù)據(jù)的開(kāi)始標(biāo)志;

E為結(jié)束位，寬度為兩個(gè)比特，表示一個(gè)指令幀的結(jié)束;

D0～ D7為8 位控制數(shù)據(jù)，其電平組合從00000000一11111111 共有256個(gè)狀態(tài)(對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的0～255)，控制燈光的亮度時(shí)，可產(chǎn)生256個(gè)亮度等級(jí)，0000~ (0)對(duì)應(yīng)燈光最暗，11111111(255)對(duì)應(yīng)燈光最亮。

DMX512指令的位寬(每比特寬度)是4 us，每一個(gè)指令幀11位，故指令幀寬度為44 us，傳輸速率為1/44us = 250kbps。

4.2.2  DMX512信息包

一個(gè)完整的DMX512信息包(Packet)由一個(gè)MTBP位、一個(gè)Break 位、一個(gè)MAB位、一個(gè)SC 和512個(gè)數(shù)據(jù)幀構(gòu)成，如圖27所示：

圖27 數(shù)據(jù)幀

MTBP(MarkTimeBetween Packets)標(biāo)志著一個(gè)完整的信息包發(fā)送完畢，是下一個(gè)信息包即將開(kāi)始的“空閑位”，高電平有效。

Break為中斷位，對(duì)應(yīng)一個(gè)信息包結(jié)束后的程序復(fù)位階段，寬度不少于兩個(gè)幀(22 比特)。程序復(fù)位結(jié)束后應(yīng)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，MAB位，由于每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的第一位(即開(kāi)始位)為低電平，所以必須用一個(gè)高電平脈沖間隔前后兩個(gè)低電平脈沖，這個(gè)起間隔、分離作用的高電平脈沖即MAB(MarkAfter Break)，此脈沖一到，意味著“新一輪”的控制又開(kāi)始了。

SC(StartCode)意為開(kāi)始代碼幀(圖1中的第0幀)，和此后到來(lái)的數(shù)據(jù)幀一樣，也是由11 位構(gòu)成，除最后的兩個(gè)高電平的結(jié)束位之外，其他9位全部是低電平，通常將其叫做第0 幀或第0通道(Channel No 0)，可理解為一個(gè)不存在的通道(NonexistentChanne1)。

表2 DMX512 信息包定時(shí)表

表2 是DMX512 信息包的定時(shí)表，表中NS意為自己設(shè)定，寬度沒(méi)有嚴(yán)格限制，由程序設(shè)計(jì)者自行決定，比如MTBP的寬度可以介于0～1秒之間，其他建議采用典型值。

控制臺(tái)每發(fā)送一個(gè)信息包，可以對(duì)全部512個(gè)受控通道形成一次全面的控制。發(fā)送一個(gè)信息包的時(shí)間大約是23 ms，每秒鐘將對(duì)所有512個(gè)受控通道完成44 次控制，即受控光路的刷新頻率44 Hz，如果實(shí)際受控通道少于512個(gè)，那么刷新頻率將相應(yīng)提高。

5 軟件流程圖

軟件流程如圖28所示：

以上所說(shuō)的硬件主要包括主控器，中繼器和驅(qū)動(dòng)器，主控器主要是起到主機(jī)的作用，中繼器主要起到中繼的作用，驅(qū)動(dòng)器主要起到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用。