多點矩陣控制系統多點矩陣控制系統包括軟件部分和硬件部分，下面主要介紹下硬件設計部分。

多點矩陣控制系統原理主要是通過控制電機來達到相關的效果，在視覺上有沖擊感，給人印象深刻。

該系統主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件部分包括主控器，中繼器和驅動器，軟件部分包括客戶端，協議，主控程序和驅動程序等。

其構架圖如圖1所示：

圖1 多點矩陣控制系統架構

3.1主控器

主控器的功能主要是接收客戶端發送的指令，通過USB來進行通信，目前主控這部分

采用的是STM32F103CB，其主要參數指标如圖2所示：

其工作電壓是0~3.6V，最高工作頻率可達72MHz，所對應的接口有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，待機模式和停止模式，其模式的設置可以詳見手冊。

圖2 STM32F103CB 參數特點

其主控的MCU部分原理圖如圖3所示，其工作電壓為是3.3V，工作溫度範圍：-40~85℃。在功耗方面也很低，工作模式下電流約為50mA，待機模式下電流約為300uA。這裡把需要能用的通信接口都預留出來，方便後期開發。

圖3STM32F103CB

3.1.1串口轉485

485的接口IC采用的SN75176A，性能方面優于MAX485，具體表現如表1所示：

表1 SN75176A與MAX485對比

SN75176A内部邏輯見圖4

圖4SN75176A内部邏輯圖

MAX485内部邏輯見圖5

圖5MAX485内部邏輯圖

由圖4和圖5可見，内部邏輯大體類似。

UART轉485電路如圖6所示：接口做了防靜電處理，靜電等級空氣8kV，接觸6kV，對應的自恢複保險絲能夠起到良好的保護作用。

圖5UART轉RS485

3.1.2TF卡

考慮到後期會用到脫機工作的需求，所以可以将程序保存在TF卡裡，MCU通過SPI的通信方式将命令讀取來執行相關的動作。TF卡如圖6所示

圖6TF卡引腳說明

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選擇啟動方式

BOOT的啟動方式有用戶閃存，ISP下載以及内部的RAM，通過BOOT0置零和置1來選擇對應的啟動方式，具體見圖8所示：

圖8 BOOT啟動方式的選擇

3.1.4MicroUSB接口

通過該接口可以和上位機進行通信，收發命令。接口防靜電采用了TPD2E001DZDR通過它可以有效地抑制靜電幹擾，保護了後級主控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适配器供電，适配器規格為AC220V TO DC24V2.5A，該MCU的工作電壓為3.3V，SN75176A的工作電壓為5.0V，所以先将24V通過AP1509穩壓出5V，然後見5V通過LDO穩壓出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，分别為JTAG和SWD，為了操作簡便，使用起來更加便利，因而采用了SWD的方式，SWD下載線的定義為：VCC，SWDIO，SWCLK，GND。具體如圖11所示：

圖11 SWD下載接口

3.1.7複位電路

該複位電路是在關鍵時刻能起到複位作用，通過按下按鍵，複位口檢測到低電平，然後觸發MCU進行複位操作，電路具體如圖12所示：

圖12複位電路

3.1.8指示燈

該指示燈可以通過程序來控制燈的亮滅，從而知道程序是否有響應等等，其狀态可以自由定義，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将一路485分成8路485輸出，保證其每一路的輸出能力，能夠将承載的設備最大化。

圖14 一路分多路輸出

在輸入口通過SN75176A識别485接口，然後轉換成串口來發送信号，其供電方式是采用了AP1509，其最大輸出電流可達2A，完全滿足要求，具體如圖15所示：

圖15 分路供電

在接收到分路信号後，需要通過光耦進行隔離處理，然後再通過SN75176A轉換出485電器接口，總共有8路輸出，單路兩路如圖16所示：

圖16 兩路485接口

為了保證每兩路都有足夠的工作電流，而不浪費資源，采用AP1509能夠足夠的提供每兩路的工作電流，具體電路如圖17所示：

圖17 每兩路供電部分

3.3驅動器

驅動器的功能主要是驅動步進電機的正轉，反轉，轉動角度，速度調節等。

3.3.1 主控MCU

該MCU采用的和主控器上的是一樣的，方便後期物料管理方便，詳細參數就不一一羅列，具體可見圖18所示：

圖18 驅動器主MCU STM32F103CB

3.3.2 驅動電路

該步進電機驅動采用的是TI 的DRV8825，其工作電壓範圍：8.2V~45V，最大可達2.5A的驅動能力，在步進電機驅動控制方面應用比較廣，可以達到32細分。電路圖如圖19所示

圖19 步進電機驅動

細分模式選擇如圖20所示：

圖20 細分模式選擇

3.3.4 RS485轉UART

RS485通過SN75176A轉換成UART，把數據發給MCU來做處理。如圖21所示：

圖21 RS485轉UART

3.3.5 DC TO DC

該驅動器采用獨立的适配器供電，電源是AC220V~DV24V2.5A，穩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啟動方式選擇

BOOT通過選擇0或1來切換啟動方式，具體如圖23所示：

圖23 BOOT啟動方式選擇

4.1客戶端

客戶端隻要是将圖片的灰階度轉換成對應的ID和數據，然後通過USB接口傳送到主控器，經過主控器識别解碼後，再生成DMX512的數據格式來通訊。在客戶端的圖片采集其每個對應的ID的圖片值，也就是灰度值，通過灰度值來确定電機要轉的圈數。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協議

DMX 是Digital MultipleX 的縮寫，意為多路數字傳輸(具有512條信息的數字多路複用”)。DMX512控制協議是美國舞台燈光協會(usITT)于1990年發布的燈光控制器與燈具設備進行數據傳輸的工業标準，全稱是USITTDMX512(1990)；DMX512 在其物理層采用EIA-485差分信号，結合可變尺寸，基于分組的通信協議。它是單向的。DMX512不包含自動錯誤檢查和糾正功能，因此不适用于危險應用，如煙火或舞台裝置的移動。電磁幹擾，靜電放電，不正确的電纜端接，電纜過長或電纜質量都可能造成虛假觸發，但是在連接控制器(如照明控制台)與調光器和特效設備等都有廣泛應用。

4.2.1 DMX512指令幀介紹

每一個DMX 控制字節叫做一個指令幀，稱作一個控制通道，可以控制燈光設備的一個或幾個功能。一個DMX 指令幀由1個開始位(S)、8個數據位(D0-D8)和2個結束位(E)共11位構成，采用單向異步串行傳輸，如圖26所示。

圖26 DMX512 定時程序的幀結構(上圖)和信息包結構

圖26 中虛線内控制指令中的S 為開始位，寬度為一個比特，是受控燈具準備接收并解碼控制數據的開始标志;E為結束位，寬度為兩個比特，表示一個指令幀的結束;D0～ D7為8 位控制數據，其電平組合從00000000一11111111 共有256個狀态(對應十進制數的0～255)，控制燈光的亮度時，可産生256個亮度等級，0000~ (0)對應燈光最暗，11111111(255)對應燈光最亮。DMX512指令的位寬(每比特寬度)是4 us，每一個指令幀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

一個完整的DMX512信息包(Packet)由一個MTBP位、一個Break 位、一個MAB位、一個SC 和512個數據幀構成，如圖27所示：

圖27 數據幀

MTBP(MarkTimeBetween Packets)标志着一個完整的信息包發送完畢，是下一個信息包即将開始的“空閑位”，高電平有效。Break為中斷位，對應一個信息包結束後的程序複位階段，寬度不少于兩個幀(22 比特)。程序複位結束後應發送控制數據，MAB位，由于每一個數據幀的第一位(即開始位)為低電平，所以必須用一個高電平脈沖間隔前後兩個低電平脈沖，這個起間隔、分離作用的高電平脈沖即MAB(MarkAfter Break)，此脈沖一到，意味着“新一輪”的控制又開始了。

SC(StartCode)意為開始代碼幀(圖1中的第0幀)，和此後到來的數據幀一樣，也是由11 位構成，除最後的兩個高電平的結束位之外，其他9位全部是低電平，通常将其叫做第0 幀或第0通道(Channel No 0)，可理解為一個不存在的通道(NonexistentChanne1)。

表2 DMX512 信息包定時表

表2 是DMX512 信息包的定時表，表中NS意為自己設定，寬度沒有嚴格限制，由程序設計者自行決定，比如MTBP的寬度可以介于0～1秒之間，其他建議采用典型值。控制台每發送一個信息包，可以對全部512個受控通道形成一次全面的控制。發送一個信息包的時間大約是23 ms，每秒鐘将對所有512個受控通道完成44 次控制，即受控光路的刷新頻率44 Hz，如果實際受控通道少于512個，那麼刷新頻率将相應提高。

軟件流程如圖28所示：

以上所說的硬件主要包括主控器，中繼器和驅動器，主控器主要是起到主機的作用，中繼器主要起到中繼的作用，驅動器主要起到驅動電機的作用。

原标題：多點矩陣控制系統

原作者：eyesee2008

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