实验题目：基于单片机的 ArtNet-DMX512 灯光效果控制器设计

1. 课程简要信息

实验性质：电工电子系列开放创新性实验

实验学时：32 学时（8 课内 $+ 2 4$ 课外）

实验对象：面向“中南电子”创新创业基地的入驻学生，主要是电类相关专业本科 $3 \sim$ 4年级的学生，要求有单片机基础

2. 实验内容与任务（限 500 字）

电工电子类课程的学习，尤其是单片机课程的学习，强调理论联系实际。本实验来源于一个实际工程项目并适度简化，内容是设计一个以单片机为控制核心的灯光效果控制器。该控制器将上位机下发的 ArtNet 数据包转换为 DMX512数据包， 输出到三色LED灯解码板。

基本要求及任务如下：

1）控制器具有联机控制功能，与上位机通讯是以太网接口，采用基于 UDP的ArtNet协议；
2） 控制器能同步输出多路符合 DMX512协议的灯光控制信号(3到 4路)；
3） 控制器具有人机接口，能显示工作状态，可设置控制器的 IP 地址；
4） 基于总体方案设计和可行性验证结果，设计原理图，绘制 PCB；自行购买元件进行焊接；编程，进行软硬件联合调试，完成样机实物制作；
5）以论文的形式撰写实验报告，展示作品，分组答辩。

扩展功能：

要求控制器具有脱机控制功能，在没有上位机的情况下，可将存储在 SD 卡上的灯光效果文件转化为DMX512 数据包输出。

本实验以小组为单位， $3 \sim 5$ 人为一组，自行组队。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

本实验将分多个步骤来完成，具体过程及要求如下：

1）指导老师进行任务布置与分解，介绍相关背景知识（主要介绍 ArtNet 协议和DMX512 协议）；

2）学生查找相关资料，进行总体方案设计——要求对比多个方案的优缺点，选择最佳性价比方案；

3）学生进行单元环节可行性验证——要求尽可能利用“中南电子”创新创业基地的现有实验条件，验证两个关键环节：上位机与单片机的 ArtNet 数据包传输以及单片机输出多路 DMX512信号；

4）指导老师审查学生的总体方案设计和可行性验证结果；

5）学生利用 AltiumDesigner 软件设计控制器的原理图，绘制 PCB 图，完成 PCB 制作——要求在设计过程中注意设计的规范性；

6）学生自行购买元件，焊接，编写简单测试程序进行硬件单元模块测试；

7）学生编写程序实现控制器的各模块功能，对单元模块进行软硬件联合调试——要求有系统软件设计程序流程图；

8）综合联调，优化程序，形成样机，并进行测试— 要求提供具体的测试结果；

9）撰写设计总结报告，并通过分组演讲答辩，完成整个设计内容。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用单片机技术解决实际工程问题的典型案例，主要涉及的相关知识和有关技能包括：

理论知识—— 单片机系统的硬件设计及程序设计方法、EDA技术、网络通讯、舞台灯光领域的两个标准协议（ArtNet 协议和DMX512 协议）等；

基本技能——焊接电路板、常用电子元件的识别、常用测试仪器及调试工具的使用。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

综合考查学生对单片机技术、电子电路设计等相关知识的掌握；引导学生理论联系实际，针对具体工程问题设计不同的解决方案并择优选择；引导学生根据需要设计电路、选择元器件、自行焊接与调试、构建测试环境与条件，完成一个完整的电子产品设计流程，提高动手能力。

6. 实验教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案总体设计及可行性论证、系统软硬件设计、单元模块调试及样机整体联合调试、设计总结等过程。在实验教学过程中，指导教师需要在以下几个方面加强对学生的讲解及引导：

1）对题目的仔细研究和对任务的具体分析；

2）标准协议的学习方法：泛读协议的基础上，精读所需要的有用信息。ArtNet协议和 DMX512 协议是标准协议，内容涉及比较广泛，短时间内完全消化掉有苦难，也没必要。在泛读协议的基础上，要关注到 ArtNet 数据包是基于 UDP 协议的通讯方式，IP地址构成、端口、数据包具体组成等有用信息是精读重点；同理，DMX512协议是通过RS485 异步通讯方式进行数据传输，数据格式、波特率、时序等信息是关注重点；

3）方案设计时，针对系统提出的任务、要求，查阅资料，广开思路，提出不同的解决方案，并比较每个方案的可行性和优缺点；将系统分解成若干模块，明确各模块的功能、模块间的连接关系及实现方法等，构建总体方案与框图；鼓励拔尖学生，在方案设计时就把扩展功能考虑进去。总体方案设计时，需要重点思考以下问题：

a) UDP协议栈在单片机系统上如何实现？UDP协议是一种以太网标准通讯协议，在嵌入式系统应用中既可以把LwIP等开源源码移植到单片机程序中来实现，也可借助内置了协议栈的全硬件 TCP/IP(UDP) 嵌入式以太网控制器来实现。两种方法，一种是基于代码“软”实现，一种是基于芯片“硬”实现,各自特点是啥？如何选择？

b) 多串口在单片机系统中如何实现？一般的单片机芯片只具有 $1 \sim 2$ 个硬件串口，本实验所要求设计的控制器，需要输出 4 路 DMX512 信号，硬件上则需要 4 个串口，如何来实现？可以考虑在单片机的 IO 口上用软件模拟时序，实现“软”串口，也可以外扩串口控制芯片，实现多个硬件串口。多个串口的实现，同样存在“软”实现和“硬”实现。，各自特点是啥？如何选择？

c) 标准 DMX512 数据包时序如何实现？DMX512 协议以数据包的形式，通过 RS485异步通讯方式进行传输，波特率是 250Kbit/s。一个完整的 DMX512数据包包括一个 Break 信号、一个 Mark After Break(MAB)信号、一帧 Start Code信号、512 个数据帧和一个MTBP（空闲）信号，如图1 所示。

图 1 DMX512 数据包结构

每个 DMX512数据帧由11bit 构成，分别为 1个起始位、8个数据位和2个停止位。实现一个标准的 DMX512 数据包传输，关键在于必须有 Break 和MAB信号。这两个信号时序可通过代码延时子程序来实现，也可通过定时器中断来实现。这两种方式各自的特点是啥？是否还可以另辟路径，用其他方式来实现 DMX512数据包时序？

d) 多通道 DMX512 数据包的同步发送程序如何实现？DMX512 协议本质上是RS485 异步通讯方式，发送数据在程序实现上有查询、中断、DMA 等方式，若要实现多个串口同步发送，该使用哪种方式呢？

4）绘制原理图和 PCB 图时，注意绘图的规范性，PCB 板上注意留下测试孔；元件焊接过程中，先焊接控制器的电源电路部分，确保电源正常后，再焊接其他单元电路；焊接完毕后，要求先进行硬件接口的简单测试，确保硬件正常的前提下再编程实现功能模块；

5）调试过程中，要基于实验室的现有条件，搭建合适的测试环境（例如：调试 DMX512数据包发送环节时，若没有现成的 LED 解码板，可将控制器发送的数据包通过“USB—串口”硬件转换器送到 PC 上的“串口调试工具”去监测），调试过程做好记录，包括原始数据和用照片记录原始波形；

6）实验完成后，可以组织学生以项目答辩、评比等多种方式进行交流，小组之间相互学习，了解不同解决方案及其特点，交流在实验过程中出现的问题及解决方法等，拓宽知识面。

7 实验原理及方案

1）系统原理结构

图2 系统原理结构图

本试验需要完成的灯光效果控制器系统原理结构如图 2 所示，主要包括两个环

节：通过以太网网络接口接收上位机下发的 ArtNet数据包，重新打包后通过多个串口同步输出多路DMX512 数据包。

2）实现方案设计说明

（a）以太网网络接口及协议栈的实现

方案一： 选择自带有以太网接口的单片机，例如 STM32系列单片机 STM32F107和 STM32F407 就集成了以太网 MAC；TCP/IP 协议栈需要程序代码来实现，比较有名的嵌入式以太网协议栈有 uIP协议栈，LwIP 协议栈等；协议栈的移植，需要耗费单片机的大量资源，对编程者要求较高。

方案二：单片机外扩以太网收发芯片，这类芯片包含MAC和 PHY，常见的有SPI接口的 ENC28J60（如图 3 所示），也有并口形式的 RTL8019S，CS8900A 等；这种方案中TCP/IP协议栈还是需要单片机的程序代码来实现。

图1-2: 典型的ENC28J60接口
图 3 典型的 ENC28J60 应用图

方案三：直接使用内置了协议栈的全硬件 TCP/IP(UDP) 嵌入式以太网控制器。这类芯片既包含 MAC 和 PHY，又内置了协议，常用的有 Wiznet-W5200,W5500 等。单片机一般通过 SPI 总线与这类芯片打交道，只需控制芯片内的一些寄存器，即可完成完整的以太网通讯。

（b）多串口在硬件上的实现

方案一： 选择自带有多个硬件串口接口的单片机，例如 STM32 系列的大容量单片机就自带了5个串口。

方案二：用软件模拟的方法，把单片机的普通 IO做成串口；这种接口稳定性不好，使用时波特率不能太高。

方案三：单片机外扩串口扩展芯片，这种芯片有 SPI 接口的，也有并口形式的。

（c）人机接口电路

控制器的工作状态显示既可以用 LED 显示，也可用数码管或 LCD 来显示。
更改IP可以通过数字按键电路，也可以用拨码开关或者 AD 转换电路来完成。

（d）DMX512数据包时序的实现

标准的 DMX512 数据包时序中，必须有 Break 和 MAB 信号。这两个信号产生相对比较困难，可通过代码延时子程序来实现，也可通过定时器中断来实现，两者耗费的资源都比较多；而常用的 LED 灯光效果解码板中，采用的往往是一种只判断起始码的非标准收发方式。根据 DMX512 协议，每一串数据的开始都要有一个起始码，也称复位码，其有效数据为 0，这个数据从开始位到第十位是 0，用来声明数据传输开始，随后包含 1-512个数据，也称调光数据，其是标准的数据帧，第十位是 1。一般的单片机，都支持 8-9位数据发送的，非标准收发方式实现 DMX512数据包时，数据帧格式为 9 位数据，1 位停止位，无校验位，通过检测检测第十位，也就是所谓的 RB8 来进行数据的接收与传输，不需要发送 Break 和 MAB。这种方式中，发送的时候需注意起始码的数据第九位设为 0，调光数据第九位设为 1。

（e）多通道DMX512数据包的同步发送

DMX512 协议本质上是 RS485 异步通讯方式，发送数据在程序实现上有查询、中断、DMA 等方式。查询和中断方式需要 CPU 过多干预，很难实现多通道 DMX512 数据包的同步传输，而 DMA 方式是几乎不需要 CPU 干涉的。DMA 传输是将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间，串口发送数据应用 DMA 方式时，只需将发送内容送到对应的缓冲区，剩下的发送过程将由硬件自动完成。基于 DMA 方式，则能实现多通道DMX512数据包的同步发送。

8 教学实施进程

教学实施过程示意图如图 4 所示，大致分为前期、中期、后期三个阶段。

图4 教学实施过程示意图

试验前期，指导教师进行题目分析和任务分解，学生自行组队，查阅资料，进行系统方案设计及验证。学生设计多个方案，择优选择，基于实验室的实验条件进行实施环节的可行性验证，基于系统方案框图和可行性验证结果，与指导教师进行讨论，确定系统总体方案。

试验中期，学生自行设计系统的原理图和 PCB,自行购买元件，进行焊接（焊接 PCB时先焊接电源电路,确保电源正常后再焊接其他部分）,编写简单测试程序,进行单元模块的测试；发现问题,进行修改,优化电路。单元模块测试完毕后,画出系统程序实现流程图,编程实施系统模块,搭建合理的测试环境,对整个系统进行软硬件联合调试,发现问题,反馈,进一步优化电路。这一阶段,学生需要充分发挥主观能动性,指导教师密切跟进每一环节,尤其是在搭建测试环境时,应给予重点指导。

实验后期,学生对系统样机进行整体测试,记录测试结果,撰写实验报告,进行个人总结。指导教师组织实物验收,答辩,分组交流,全面总结实验的实施过程。

9 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析——正确理解项目要求，有任务分解，标出重点和难点；

2. 实现方案论证——有多种实施方案的比较以及择优选择，注意考查性价比；
   有总体方案框图，有可行性验证结果；

3. 电路设计与参数选择——提供标准的原理图和 PCB 图；

4. 模块功能程序实现——有详细的程序流程图和关键性代码（或伪代码）；

5. 电路调试过程——有具体的调试结果，包括原始数据、原始信号波形等；

6. 样机系统测试——描述测试环境，提供具体的测试结果；

7. 实验结果总结——个人的心得体会必不可少！

10 考核要求与方法（限 300 字）

实验考核采用“目标 $^ +$ 环节 $^ +$ 报告”考核方式，实验结果验收占 $4 0 %$ ，过程考核占$4 0 %$ ，最终实验报告占 $2 0 %$ ，重点考核以下事项：

1. 实物验收：功能与性能指标的完成程度（基本任务，拓展部分）以及完成的时间；
2. 实验质量：包括3个方面——电路方案的合理性；硬件设计质量（包括焊接工艺、组装工艺等）；软件质量（包括流程图、数据流图、代码质量等）；
3. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力；
4. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择的合理性，电路设计考虑的性价比；
5. 调试结果：测试数据和有关波形的原始图片；
6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

整个考核过程一直持续在实验过程中，大致分为三个阶段：

前期：主要考核项目方案设计的合理性、电路设计的正确性；
中期：主要考核系统功能模块的完成进度，考查实验过程中的动手能力；
后期： 主要是实物验收，考核实验报告的质量以及答辩的现场表现。

11 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本项目的特色在于：项目的工程性强，需要综合应用知识，且实现方法多样。

1.本项目具有工程背景，需要综合应用知识，理论联系实际，使学生对电子产品的整个设计流程有了整体认识；是个开放性实验，学生可自主组队和安排时间；
2. 实现方法多样性，在方案设计中能让学生体会到：电子系统设计中软硬不分家，有些硬件功能可以“软”实现，有些软件功能可以“硬”实现；
3. 本实验内容的实施，全面培养了学生的团队合作精神和综合动手能力。

实验案例信息表