CN103412528A - 一种新型的电控调光材料控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子控制领域，公开了一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于，包括：主控台、由路由器和网络包接收器以及它们之间的网络传输介质组成的互联网络、调光材料驱动器、调光材料组以及电源设备。主控台通过路由器将主控台信号发送至互联网络。网络包接收器接收到互联网络中的控制信号包后进行解包，将控制信号发送至调光材料驱动器组。电源器件为调光材料驱动器供电。调光材料驱动器接收到控制信号后进行地址对比，当接收到属于本机地址的控制信号后，将控制信号转换为调光材料组的驱动信号，从而控制调光材料组。本发明所述的电控调光材料控制***，能够对数量庞大的一组调光材料进行快速、准确、独立的控制。
Description
技术领域
本发明属于电子控制领域，涉及一种新型的电控调光材料控制***，用于控制由多块电控调光材料组成的显示阵列，其特点是可精确控制每一块调光材料的透明度及其变化时序的电子控制***。
背景技术
电控型调光材料是将液晶膜和电极板复合在透光性材质中间或表面，通过控制电极板两端电压使其呈现透明、半透明和不透明状态的材料。基于调光材料透明度可调的特性，可用于隐私保护、投影成像和汽车隔光等用途。
但是，在一些应用场景中，需要对数量庞大的一组调光材料进行快速、准确、独立的控制，甚至需要对调光材料组中每一个调光材料单元的不透明度进行多级调整。比如使用调光材料组构建图像。
申请号201110103020.8的发明专利“智能家居卫生间用自动感应调光玻璃***”公开了一种红外感应式电控调光材料控制***，但是此***仅能控制电控调光材料组统一工作于开启和关断两种状态。
申请号201020527759.2的实用新型专利“调光玻璃控制器”公开了一种驱动电控调光材料工作在不同透明度的控制器，但是此控制器仅能控制单独一块电控调光材料，即使通过多块控制器级联的方式最多也只能控制512块电控调光材料，并且需要复杂的地址设置过程。
基于传统的通过开关使电路通断的方式控制调光材料无法充分满足上述场景的需求，而且迄今未出现一种满足上述场景要求的调光材料组控制***方案。
发明内容
针对大规模电控调光材料控制中存在的上述问题，本发明提供了一种新型的大规模调光材料控制***，能够对数量庞大的一组调光材料进行快速、准确、独立的控制。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型的电控调光材料控制***，包括主控台、通信网络设备、调光材料驱动器、调光材料组以及电源设备。其中，
所述主控台，与所述调光材料驱动器和所述网络设备构成的网络相连接，包含可输入参数组并对其进行处理的处理器以及可以连接通信网络设备的设备。所述控制台将用户输入的参数组进行处理生成调光材料组控制信号，并将调光材料组控制信号通过所述通信网络设备发送至所述通信网络设备组成的***网络中。
所述通信网络设备，可以是网络路由器或者其他网络通信方式的设备。所述通信网络设备用于搭建局域网络，或者通过其连接至互联网络中。所述通信网络设备能够发送和接收通信网络数据包。
所述调光材料驱动器，可以是由微处理器为主控模块搭建的***。所述调光材料驱动器与所述调光材料组相连，至少能够发送可驱动所述调光材料组中一个或者数个调光材料单元的控制信号。
所述调光材料组，与所述调光材料驱动器相连接，可以是电控型调光玻璃组。所述调光材料组中调光材料单元数量最少可以为1个单元，理论上的数量上限与所使用的网络协议有关。
所述电源设备，可以是交流转直流开关电源。为所述调光材料驱动器供电。
本发明与现有控制***相比，具有以下优点：
本发明可以控制调光材料单元数量范围广，理论上的数量上限与所使用的网络协议有关。在一定响应时间的约束下，其数量可达到4×103。
本发明可以对每一个调光材料单元的不透明度进行多级调整，不透明度级数与所使用的控制信号位数有关。可以使用8位控制信号产生256级不透明度，在此条件下人眼已无法分辨出相邻级别不透明度的变化，可模拟不透明度的无级调整。
本发明可以准确、独立地控制调光材料组中每一个调光材料单元。调光材料组中每一个调光单元都有独立的地址，保证调光材料驱动器准确地控制调光材料单元。
本发明可以快速地对调光材料组进行控制。调光材料组中每个调光材料单元响应时间可达到毫秒级别，调光材料组整体刷新频率与调光材料组中单元数量有关。
附图说明
图1为本发明实施例的***结构示意图，图中：1为主控台，2为互联网络，201为路由器，202为网络包接收器，301～305为调光材料驱动器，401～405为调光材料组，5为电源设备；
图2为本发明实施例中主控软件流程图；
图3为本发明实施例中网络包接收器硬件原理图；
图4为本发明实施例中网络包接收器软件流程图；
图5为本发明实施例中调光材料驱动器硬件原理图；
图6为本发明实施例中调光材料驱动器软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
下述实施例为基于本发明搭建的调光材料组成像***。本发明内容并不拘于实施例中涉及的具体元件、电路以及通信协议。
实施例的***结构示意图如图1所示，包括：主控台1，由路由器201和网络包接收器202以及它们之间的网络传输介质组成的互联网络2，调光材料驱动器301～305，调光材料组401～405，以及电源设备5。
主控台1为一台电脑（也可以是微控制器等能够实现控制功能的装置）。主控台1发送的控制信号数据包基于Art-Net协议（也可以是其他通信网络信号）。Art-Net协议基于TCP/IP协议。
主控台1的软件流程图如图2所示。首先，接收由键盘输入或者文本导入或者算法得出的包含时间信息的调光材料不透明度的参数数组。然后，每隔10秒循环广播Art-Net握手信号以查找网络中是否有网络包接收器202设备。如果网络中有网络包接收器202设备，接收到Art-Net握手信号后返回本机相关的Art-Net参数，表示握手成功。握手成功后，通过对Art-Net返回参数数据包分析，得到网络包接收器202设备IP地址等参数。最后，主控台1软件将按照参数组打包为Art-Net数据包，并将打包后的数据包按照其时间信息通过路由器201发至互联网络2中。
互联网络2是局域网络（也可以是CAN总线等其他可以满足不同应用场合需求的互联网络），由网络路由器201、网络包接收器202以及其之间的网络传输介质构成。局域网络覆盖面积可达到方圆数千米，可以满足实施例对应用场合的需求。
网络包接收器202，采用Art-Net接收器（也可以采用其它可以接收主控台1发出的通信网络信号的设备）。网络包接收器202有本机IP地址，可以与互联网络进行双工通信。主控台1在与网络包接收器202进行握手通信后，即可向该接收器的IP地址连续发送Art-Net数据包，以控制调光材料组。网络包接收器202可以有1～8个PORT，每个PORT均可以独立地发送DMX512信号，DMX512信号每一帧数据可以控制512个调光材料单元，因此基于最多有8PORT的网络包接收器202搭建的电控调光材料控制***，可控制的调光材料数量为：512×8=4096≈4×103。在本实施例中，由于受微处理器串口数量限制，网络包接收器202为4PORT接收器，可控制的调光材料数量约为2×103。
网络包接收器202的硬件原理图如图3所示，包括IP信号获取模块、接收器微处理器模块和信号发送模块。
IP信号获取模块，由网络信号处理芯片W5100及其***电路组成，用于将输入网络信号数据包转换成为SPI信号并输出。R1、R2串联接在W5100芯片RSET-BG引脚和地之间，为W5100内部模拟电路部分接地，R1、R2要求均为12K精度为1%高精度电阻。W5100芯片的MISO、MOSI、CS、SCK引脚分别接接收器微处理器ATmega2560对应的SPI接口引脚。W5100芯片的SEN引脚通过74HC04反相器连接ATmega2560的SPI片选信号引脚CS。W5100芯片的*RESET、*INT分别接ATmega2560的两个IO引脚*RESET、*INT，以复位和初始化W5100芯片。LED2、LED3、LED4、LED5为信号指示LED，分别接W5100芯片TXLED、RXLED、COLLED、SPDLED引脚，R9、R10、R11、R12为信号指示LED限流电阻。R7、X1、C8、C7构成W5100芯片时钟生成电路。JACK1为标准RJ45网络接口插座。C4、C3为信号滤波电容，R3、R4、R5、R6为信号限流电阻。R13、R14为插座上LED限流电阻，L2为工作指示LED。插座TX+、TX－、RX+、RX－引脚分别接W5100芯片TXOP、TXON、RXOP、RXIN引脚。
接收器微处理器模块，由接收器微处理器芯片ATmega2560及其***电路组成，用于接收IP信号获取模块输出的SPI信号，并通过内部软件对信号处理，依次将网络信号转为Art-Net和DMX512信号。模块的MISO、MOSI、CS、SCK、*RESET、*INT引脚分别接W5100芯片对应的引脚；模块的TXD0～3引脚分别接信号发送模块中U2～U5芯片的DI引脚。
信号发送模块，主要由电平转换芯片MAX485及其***电路构成，用于将接收器微处理器模块输出的TTL电平的DMX512信号转换为RS485差分输出的DMX512信号并发送。图3中U2、U3、U4、U5均为MAX485芯片，分别将输入的TTL串口信号转为RS485差分输出信号。U2、U3、U4、U5芯片DI引脚分别接ATmega2560的TXD0、TXD1、TXD2、TXD3引脚，U2、U3、U4、U5芯片B、A引脚分别通过R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22限流电阻接到输出接口D－OUT0、D+OUT0、D－OUT1、D+OUT1、D－OUT2、D+OUT2、D－OUT3、D+OUT3。
网络包接收器202软件流程图如图4所示。首先循环查询互联网络2中是否有广播的查找网络包接收器202设备的Art-Net握手信号。当接收到Art-Net握手信号后，网络包接收器202返回包含本机IP地址等信息的Art-Net相关参数数据包，表示握手成功。握手成功后，网络包接收器202循环查询互联网络2中是否有与本机IP地址匹配的Art-Net数据包。如果接收到Art-Net数据包，网络包接收器202首先把Art-Net数据包解包，得到Art-Net信号。然后对Art-Net信号分析，如果为Art-Net数据信号，则将Art-Net信号转换为DMX512信号。最后发送DMX512信号。如果没有查找到新的Art-Net数据包，网络包接收器202将上一帧DMX512信号发送。
调光材料驱动器301～305，与网络包接收器202和调光材料组401～405相连，由电源设备5供电，产生调光材料组401～405所需的PWM驱动信号。其电路原理框图如图5所示，包括TTL—RS485信号转换模块、驱动器微处理器模块和驱动信号调制模块。
TTL—RS485信号转换模块，主要由电平转换芯片MAX485及其***电路构成，用于将RS485差分输入的DMX512信号转换为驱动器微处理器输入的TTL电平的DMX512信号。图5中U1、U3为MAX485芯片，U1将RS485差分输入信号转为单片机TTL串口信号，U3将单片机TTL串口信号转为RS485差分输出信号。U1芯片RO引脚接驱动器微处理器PD6引脚，U3芯片DI引脚接驱动器微处理器PD5引脚，U1、U3芯片B、A引脚分别通过R1、R2、R6、R7限流电阻接到接口D－in、D+in、D－out、D+out。
驱动微处理器模块，由驱动微处理器芯片STM8S103F3P6及***电路组成，用于将TTL—RS485信号转换模块输出的TTL电平的DMX512信号通过内部软件进行信号处理，将DMX512信号转为PWM信号并输出。模块输入接口连接IP信号获取模块的SPI输出接口，模块输出为PWM信号。图5中的U2为STM8S103F3P6微处理器芯片。R3、C5构成芯片上电自动复位电路，C6为供电滤波电容，X1、C3、C4构成驱动器微处理器芯片时钟生成电路。DMX512信号波特率为250000Baud，每帧包含512路信号的DMX512数据刷新时间约为16毫秒，可满足每个调光材料单元的最小响应时间达毫秒量级的需要。DMX512信号有独立的地址，以保证对每个材料单元进行准确、独立的控制。DMX512信号每个地址的对应8位数据位，调光材料驱动器接收DMX512信号，产生有256级不同的占空比的驱动信号，可满足对每个调光材料单元进行256级不透明度控制的需求。
驱动信号调制模块，用于产生调光材料需要的驱动信号。图5中的Q2、R9、R12、C7构成PWM信号调制电路，驱动器微处理器I/O口PD3输出的PWM信号通过控制三极管Q2的通断将电源设备5输出的直流信号调制，再经过Q1、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、R8、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19构成的直流转交流逆变电路后，产生调光材料组401～405所需的驱动信号。直流转交流逆变电路中，当驱动器微处理器I/O口POWHz为低电平时，Q1、Q3、Q5、Q7关断，Q4、Q6、Q8导通，W+输出为0，W－输出为PWM调制后的电源信号；当POWHz为高电平时，Q1、Q3、Q5、Q7导通，Q4、Q6、Q8关断，W+输出为PWM调制后的电源信号、W－输出为0。
调光材料驱动器301～305软件流程图如图6所示。调光材料驱动器301～305接收Art-Net信号接收器202某个PORT发出的DMX512信号。调光材料驱动器301-305有属于本机的、唯一的DMX512地址。调光材料驱动器301～305接收到DMX512信号后将DMX512信号中地址与本机DMX512地址对比，将与本机地址对应的控制信号转换成PWM信号。
电源设备5用于产生调光材料驱动器301～305所需的直流电压信号。
调光材料组401～405可以是调光玻璃、调光膜等能够实现电控的调光材料。
Claims (5)
1.一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于能够对数量庞大的一组调光材料进行快速、准确、独立的控制，包括：主控台1，由路由器201和网络包接收器202以及它们之间的网络传输介质组成的互联网络2，调光材料驱动器301～305，调光材料组401～405，以及电源设备5；其中，
所述主控台1，为一台电脑，与路由器201相连，用于将输入的参数组进行处理生成基于Art-Net协议的调光材料组401～405的控制信号，并将所述控制信号通过路由器201发至互联网络2中；
所述互联网络2，为局域网络，由网络路由器201、网络包接收器202以及它们之间的网络传输介质构成；所述网络包接收器202，采用Art-Net接收器，与调光材料驱动器301～305相连，用于接收所述主控台1发送的Art-Net数据包，并将Art-Net信号转换为DMX512信号，最后发送DMX512信号至所述调光材料驱动器301～305；
所述调光材料驱动器301～305，与网络包接收器202和调光材料组401～405相连，由电源设备5供电，产生调光材料组401～405所需的驱动信号；调光材料驱动器301～305接收Art-Net信号接收器202某个PORT发出的DMX512信号；调光材料驱动器301-305有属于本机的、唯一的DMX512地址；调光材料驱动器301～305接收到DMX512信号后将DMX512信号中地址与本机DMX512地址对比，将与本机地址对应的控制信号转换成驱动信号；
所述调光材料组401～405，可以是调光玻璃、调光膜等能够实现电控的调光材料；
所述电源设备5，用于产生调光材料驱动器301～305所需的直流电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于，所述网络包接收器202还包括：IP信号获取模块、接收器微处理器模块和信号发送模块；其中，
所述IP信号获取模块，由网络信号处理芯片W5100及其***电路组成，用于将输入网络信号数据包转换成为SPI信号并输出；W5100芯片的MISO、MOSI、CS、SCK引脚分别与接收器微处理器ATmega2560对应的SPI接口引脚相连；W5100芯片的SEN引脚通过74HC04反相器连接ATmega2560的SPI片选信号引脚CS；W5100芯片的*RESET、*INT分别接ATmega2560的两个IO引脚*RESET、*INT，以复位和初始化W5100芯片；R7、X1、C8、C7构成W5100芯片时钟生成电路；
所述接收器微处理器模块，由接收器微处理器芯片ATmega2560及其***电路组成，用于接收IP信号获取模块输出的SPI信号，并通过内部软件对信号处理，依次将网络信号转为Art-Net和DMX512信号；模块的MISO、MOSI、CS、SCK、*RESET、*INT引脚分别接W5100芯片对应的引脚；模块的TXD0～3引脚分别接信号发送模块中U2～U5芯片的DI引脚；
所述信号发送模块，由4个电平转换芯片MAX485及其***电路构成，用于将接收器微处理器模块输出的TTL电平的DMX512信号转换为RS485差分输出的DMX512信号并发送；4个MAX485芯片分别将输入的TTL串口信号转为RS485差分输出信号；4个MAX485芯片的DI引脚分别接ATmega2560的TXD0、TXD1、TXD2、TXD3引脚，B、A引脚分别通过R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22限流电阻接到输出接口D－OUT0、D+OUT0、D－OUT1、D+OUT1、D－OUT2、D+OUT2、D－OUT3、D+OUT3。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于，所述网络包接收器202可以有1～8个PORT，每个PORT均可以独立地发送DMX512信号，DMX512信号每一帧数据可以控制512个调光材料单元，因此基于最多有8PORT的网络包接收器202搭建的电控调光材料控制***，可控制的调光材料数量为：512×8=4096≈4×103。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于，所述接收器微处理器模块生成的DMX512信号的波特率为250000Baud，每帧包含512路信号的DMX512数据刷新时间约为16毫秒，可满足每个调光材料单元的最小响应时间达毫秒量级的需要；DMX512信号有独立的地址，以保证对每个调光材料单元进行准确、独立的控制；DMX512信号每个地址的对应8位数据位，调光材料驱动器接收DMX512信号，产生有256级不同的占空比的驱动信号，可满足对每个调光材料单元进行256级不透明度控制的需求。
5.根据权利要求1所述的一种新型的电控调光材料控制***，其特征在于，所述调光材料驱动器301～305还包括：TTL—RS485信号转换模块、驱动微处理器模块和驱动信号调制模块；其中，
所述TTL—RS485信号转换模块，由2个电平转换芯片MAX485及其***电路构成，用于将RS485差分输入的DMX512信号转换为驱动微处理器输入的TTL电平的DMX512信号；一个MAX485芯片的RO引脚接驱动微处理器模块STM8S103F3P6微处理器芯片的PD6引脚，B、A引脚分别通过限流电阻R1、R2接到接口D－in、D+in，将RS485差分输入信号转为单片机TTL串口信号；另一个MAX485芯片的DI引脚接STM8S103F3P6芯片的PD5引脚，B、A引脚分别通过限流电阻R6、R7接到接口D－out、D+out；
所述驱动微处理器模块，由驱动微处理器芯片STM8S103F3P6及***电路组成，用于将TTL—RS485信号转换模块输出的TTL电平的DMX512信号通过内部软件进行信号处理，将DMX512信号转为PWM信号并输出；所述驱动微处理器模块输入接口连接IP信号获取模块输出SPI接口，输出为PWM信号；R3、C5构成芯片上电自动复位电路，X1、C3、C4构成时钟生成电路；
所述驱动信号调制模块，用于产生调光材料需要的驱动信号；Q2、R9、R12、C7构成PWM信号调制电路，所述驱动微处理器I/O口PD3输出的PWM信号通过控制三极管Q2的通断将电源设备5输出的直流信号调制，再经过Q1、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、R8、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19构成的直流转交流逆变电路后，产生调光材料组401～405所需的驱动信号。
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