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。
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 |
MAX485 | ||||||
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工作 电压 |
工作 温度 |
接收使能到高 |
接收使能到低 |
工作 电压 |
工作 温度 |
接收使能到高 |
接收使能到低 |
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0~7V |
0~70℃ |
10ns |
12ns |
0~12V |
0~70℃ |
20ns |
20ns |
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通过它可以有效地抑制静电干扰，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。具体如图11所示：
图11 SWD下载接口
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，然后再通过SN75176A转换出485电器接口，总共有8路输出，单路两路如图16所示：
图16 两路485接口
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，具体可见图18所示：
图18 驱动器主MCU STM32F103CB
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
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。
原标题：多点矩阵控制系统
原作者：eyesee2008
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