精品教程：多点矩阵控制系统软硬件设计

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多点矩阵控制系统多点矩阵控制系统包括软件部分和硬件部分，下面主要介绍下硬件设计部分，其构架如图1所示。

1、多点矩阵控制系统

多点矩阵控制系统原理主要是通过控制电机来达到相关的效果，在视觉上有冲击感，给人印象深刻。

该系统主要由硬件和软件两大部分组成，硬件部分包括主控器，中继器和驱动器，软件部分包括客户端，协议，主控程序和驱动程序等。

2、多点矩阵控制系统构架

其构架图如图1所示：

图1 多点矩阵控制系统架构

3、硬件部分

3.1主控器

主控器的功能主要是接收客户端发送的指令，通过USB来进行通信，目前主控这部分

采用的是STM32F103CB，其主要参数指标如图2所示：

其工作电压是0~3.6V，最高工作频率可达72MHz，所对应的接口有USB2.0，3路UART，2路IIC，2路SPI以及还有CAN，其Flash为128Kbytes，SRAM为20Kbytes。

在能耗方面具有三种工作模式：睡眠模式，待机模式和停止模式，其模式的设置可以详见手册。

图2  STM32F103CB 参数特点

其主控的MCU部分原理图如图3所示，其工作电压为是3.3V，工作温度范围：-40~85℃。在功耗方面也很低，工作模式下电流约为50mA，待机模式下电流约为300uA。这里把需要能用的通信接口都 预留出来，方便后期开发。

图3STM32F103CB

3.1.1串口转485

485的接口IC采用的SN75176A，性能方面优于MAX485，具体表现如表1所示：

表1 SN75176A与MAX485对比

SN75176A内部逻辑见图4

图4SN75176A内部逻辑图

MAX485内部逻辑见图5

图5MAX485内部逻辑图

由图4和图5可见，内部逻辑大体类似。

UART转485电路如图6所示：接口做了防静电处理，静电等级空气8kV，接触6kV，对应的自恢复保险丝能够起到良好的保护作用。

图5UART转RS485

3.1.2TF卡

考虑到后期会用到脱机工作的需求，所以可以将程序保存在TF卡里，MCU通过SPI的通信方式将命令读取来执行相关的动作。TF卡如图6所示

图6TF卡引脚说明

其电路如图7所示，工作电压是3.3V

图7TF卡SPI通信方式

3.1.3BOOT选择启动方式

BOOT的启动方式有用户闪存，ISP下载以及内部的RAM，通过BOOT0置零和置1来

选择对应的启动方式，具体见图8所示：

图8 BOOT启动方式的选择

3.1.4MicroUSB接口

通过该接口可以和上位机进行通信，收发命令。接口防静电采用了TPD2E001DZDR通过它可以有效的

抑制静电干扰，保护了后级主控MCU。电路如图9所示：

图9Micro USB接口

3.1.5DC TO DC

该主控器是采用了外部适配器供电，适配器规格为AC220V TO DC24V2.5A，该

MCU的工作电压为3.3V，SN75176A的工作电压为5.0V，所以先将24V通过AP1509稳压出5V，然后见5V通过

LDO稳压出3.3V，具体如图10所示：

图10 DC TO DC

3.1.6下载接口

该MCU具有两种下载接口模式，分别为JTAG和SWD，为了操作简便，使用起

来更加便利，因而采用了SWD的方式，SWD下载线的定义为：VCC，SWDIO，SWCLK，GND。

3.1.7复位电路

该复位电路是在关键时刻能起到复位作用，通过按下按键，复位口检测到低电平，然

后触发MCU进行复位操作，电路具体如图12所示：

图12复位电路

3.1.8指示灯

该指示灯可以通过程序来控制灯的亮灭，从而知道程序是否有响应等等，其状态可以自由定义，很便捷。具体如图13所示：

图13指示灯

3.2中继器

中继器的功能主要是将一路485分成8路485输出，保证其每一路的输出能力，能够将承载的设备最大化。

图14  一路分多路输出

在输入口通过SN75176A识别485接口，然后转换成串口来发送信号，其供电方式是采用了AP1509，其最大输出电流可达2A，完全满足要求，具体如图15所示：

图15 分路供电

在接收到分路信号后，需要通过光耦进行隔离处理，然后在通过SN75176A转换出485电器接口，总共有8路输出。

为了保证每两路都有足够的工作电流，而不浪费资源，采用AP1509能够足够的提供每两路的工作电流，具体电路如图17所示：

图17  每两路供电部分

3.3驱动器

驱动器的功能主要是驱动步进电机的正转，反转，转动角度，速度调节等。

3.3.1 主控MCU

该MCU采用的和主控器上的是一样的，方便后期物料管理方便，详细参数就不一一罗列。

3.3.2 驱动电路

该步进电机驱动采用的是TI 的DRV8825，其工作电压范围：8.2V~45V，最大可达2.5A。

的驱动能力，在步进电机驱动控制方面应用比较广，可以达到32细分。电路图如图19所示

图19  步进电机驱动

细分模式选择如图20所示：

图20 细分模式选择

3.3.4 RS485转UART

RS485通过SN75176A转换成UART，把数据发给MCU来做处理。如图21所示：

图21 RS485转UART

3.3.5 DC TO DC

该驱动器采用独立的适配器供电，电源是AC220V~DV24V2.5A，稳压方式和主控器是一样，具体如图22所示：

图22 DC TO DC电路

3.3.6 BOOT启动方式选择

BOOT通过选择0或1来切换启动方式，具体如图23所示：

图23 BOOT启动方式选择

4、软件部分

4.1客户端

客户端只要是将图片的灰阶度转换成对应的ID和数据，然后通过USB接口传送到主控器，经过主控器识别解码后，再生成DMX512的数据格式来通讯。在客户端的图片采集其每个对应的ID的图片值，也就是灰度值，通过灰度值来确定电机要转的圈数。举例如图24所示：

图24 举例图

灰度色值表如图25所示：

图25 灰度色值

4.2协议

DMX 是Digital MultipleX 的缩写，意为多路数字传输(具有512条信息的数字多路复用”)。DMX512控制协议是美国舞台灯光协会(usITT)于1990年发布的灯光控制器与灯具设备进行数据传输的工业标准，全称是USITTDMX512(1990)；

DMX512 在其物理层采用EIA-485差分信号，结合可变尺寸，基于分组的通信协议。它是单向的。DMX512不包含自动错误检查和纠正功能，因此不适用于危险应用，如烟火或舞台装置的移动。电磁干扰，静电放电，不正确的电缆端接，电缆过长或电缆质量都可能造成虚假触发，但是在连接控制器(如照明控制台)与调光器和特效设备等都有广泛应用。

4.2.1 DMX512指令帧介绍

每一个DMX 控制字节叫做一个指令帧，称作一个控制通道，可以控制灯光设备的一个或几个功能。一个DMX 指令帧由1个开始位(S)、8个数据位(D0-D8)和2个结束位(E)共11位构成，采用单向异步串行传输，如图26所示。

图26 DMX512 定时程序的帧结构(上图)和信息包结构(下图)

图26 中虚线内控制指令中的S 为开始位，宽度为一个比特，是受控灯具准备接收并解码控制数据的开始标志;

E为结束位，宽度为两个比特，表示一个指令帧的结束;

D0～ D7为8 位控制数据，其电平组合从00000000一11111111 共有256个状态(对应十进制数的0～255)，控制灯光的亮度时，可产生256个亮度等级，0000~ (0)对应灯光最暗，11111111(255)对应灯光最亮。

DMX512指令的位宽(每比特宽度)是4 us，每一个指令帧11位，故指令帧宽度为44 us，传输速率为1/44us = 250kbps。

4.2.2  DMX512信息包

一个完整的DMX512信息包(Packet)由一个MTBP位、一个Break 位、一个MAB位、一个SC 和512个数据帧构成，如图27所示：

图27 数据帧

MTBP(MarkTimeBetween Packets)标志着一个完整的信息包发送完毕，是下一个信息包即将开始的“空闲位”，高电平有效。

Break为中断位，对应一个信息包结束后的程序复位阶段，宽度不少于两个帧(22 比特)。程序复位结束后应发送控制数据，MAB位，由于每一个数据帧的第一位(即开始位)为低电平，所以必须用一个高电平脉冲间隔前后两个低电平脉冲，这个起间隔、分离作用的高电平脉冲即MAB(MarkAfter Break)，此脉冲一到，意味着“新一轮”的控制又开始了。

SC(StartCode)意为开始代码帧(图1中的第0帧)，和此后到来的数据帧一样，也是由11 位构成，除最后的两个高电平的结束位之外，其他9位全部是低电平，通常将其叫做第0 帧或第0通道(Channel No 0)，可理解为一个不存在的通道(NonexistentChanne1)。

表2 DMX512 信息包定时表

表2 是DMX512 信息包的定时表，表中NS意为自己设定，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0～1秒之间，其他建议采用典型值。

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44 Hz，如果实际受控通道少于512个，那么刷新频率将相应提高。

5 软件流程图

软件流程如图28所示：

以上所说的硬件主要包括主控器，中继器和驱动器，主控器主要是起到主机的作用，中继器主要起到中继的作用，驱动器主要起到驱动电机的作用。