Введение
В старые добрые времена в сценическом освещении использовалось большое количество ручных потенциометров, которыми управлялись фонари во время представления. Они располагались рядом со сценой, и электричество подавалось от них к фонарям по длинным силовым кабелям, опутывавшим всю сцену. Не то чтобы этих кабелей было слишком много, просто вся система получалась громоздкой и нескладной. Вы были похожи на осьминога, когда управляли этой громадиной и выстраивали световые сцены.
Все это продолжалось до тех пор, пока какие-то умельцы ни догадались снабдить потенциометры двигателями… и оп! За сценой появилась небольшая изящная панель, потенциометры и двигатели были убраны в основание сцены и все! Только небольшое количество тонких проводов соединяют теперь консоль с двигателями. Однако оставалась проблема - скорость, точнее ее отсутствие (как нам сейчас бы показалось). Двигатели имели ограниченную скорость, и это влияло на всю установку в целом.
В скором времени появились первые электронные диммеры и первые консоли. Необходимость - мать изобретений, и вскоре консоли стали приобретать более знакомый нам вид. Управление производилось с помощью низкого постоянного напряжения, в зависимости от которого изменялся световой поток лампы. Напряжение подавалось по отдельным проводам для каждого канала, и нужно сказать, что на таких системах иногда работают и сегодня.
Использовались разные напряжения и полярности, но система +10 В была наиболее популярна. Правда, она страдала от следующих недостатков:
o склонна к шуму и образованию земляных контуров, если скоммутированна неправильно.
o нелинейно работала с различными типами ламп.
Предлагались различные решения этих проблем, но все они оказались неудовлетворительными.
Затем появились первые компьютеризированные консоли с простейшими возможностями по сохранению сцен в памяти. Выходы все еще были аналоговые, и все усовершенствование касалось передачи разных сигналов по одному проводу.
Компьютеры открыли новое измерение для всей системы: фейдер не должен отвечать за конкретный диммер - он может быть назначен любому диммеру или группе диммеров. С фейдерами и кнопками на одном конце и диммерами на другом компьютер мог устанавливать любую связь между программой, действиями оператора и светом.
Различные производители вышли на рынок со всевозможными усовершенствованными пультами управления. Они быстро поняли, что цифровая система обмена данными между консолью и диммерами стала естественным дополнением системы передачи данных компьютера, так как и та и другая имели в качестве выходного сигнала "цифру". Было разработано множество различных протоколов, и в результате исчезла взаимозаменяемость между приборами различных производителей, и весь комплект приходилось покупать у одного производителя. Больше всего страдал конечный потребитель, и создание единого стандартного интерфейса при сложившихся обстоятельствах стало просто необходимо.
Институт театральных технологий США (USITT) первым в 1986 году разработал протокол DMX512 в качестве стандартного интерфейса для обмена данными между диммерами и пультами.
Это была достаточно простая идея, которая могла быть легко применена и доработана тем, кто ею заинтересовался.
В 1990 году в первый стандарт были внесены небольшие поправки и исправлены ошибки, и теперь стандарт известен как USITT DMX512(1990). Все началось с протокола для управления диммерами, а закончилось тем, что с помощью этого протокола управляются цифровые световые приборы, колорченджеры, лиры, стробоскопы, дымовые машины, лазеры, фонтаны, сценическая машинерия и даже разбрасыватели конфетти.
Основные операции
Все основные детали USITT DMX512(1990) (в дальнейшем для краткости будем писать просто DMX, если не имеется ввиду другое) описаны в разделах "Структура данных" и "Физические основы DMX512(1990)" (о которых пойдет речь в следующей статье), так что здесь ограничимся небольшой преамбулой. DMX протокол состоит из потока данных, которые передаются по симметричной кабельной системе от передатчика (чаще всего это пульт или компьютер) к приемнику (может быть диммером или любым прибором, описанным в предыдущей главе). Одиночный DMX порт, передавая данные, способен пропустить через себя информацию только о 512 каналах максимум. Такой порт называется DMX областью (universe). Для пультов, использующих большее чем 512 количество каналов, необходимо наличие второй области (а значит, и второго порта). См. таблицу 1 соответствия областей и каналов.
Ограничения по количеству областей нет.
Пульт Avolites Diamond II, например, имеет шесть DMX512 областей и, соответственно, шесть DMX512 портов на задней панели. Он может управлять 512 x 6 = 3072 диммерами!
Единственным ограничивающим фактором, я считаю, здесь является быстродействие системы. В рамках этой статьи будем рассматривать работу только первой области. Основные операции для различных областей будут одинаковы, кроме физического значения номеров каналов. Необходимо помнить, что принимающие устройства физически могут распознавать номера каналов от 1 до 512. Таким образом, в системах с несколькими областями, и техникам, и художникам, и операторам необходимо сопоставлять комбинации область/канал при установке, подключении и программировании системы. Например, диммер, который необходимо подключить к выходному каналу 2331 пульта Avolites Diamond II, должен быть подключен к пятой области, и на нем должен быть выставлен адрес 283. Это потому, что выходной канал 2331 на самом деле это 283 канал в пятой области.
Поток данных передается в виде пакета, который постоянно повторяется. Он состоит из стартовых битов (которые информируют получателя, что пакет обновляется), за которыми идет поток последовательных кадров данных, содержащих значение каждого канала от 1 до 512 или меньше (в зависимости от дизайна и размеров пульта). Каждый кадр отделяется от другого определенной комбинацией стартовых и стоповых битов. Вся система работает, как городская почта. У каждого почтальона (области) есть 512 домов (каналов). Каждый дом (канал) имеет персональный адрес. Некоторые дома - это многоэтажки с большим количеством отдельных квартир (несколько каналов в одном приборе). Почтальон идет от дома к дому и доставляет письма (значения) в почтовые ящики. Каждый житель открывает только СВОЙ почтовый ящик и берет только СВОЮ почту. Подобным образом каждый приемник сигнала имеет свой определенный адрес и просто игнорирует все данные, которые не направлены по его адресу. В некоторых приборах данные принимаются для начального адреса и для нескольких адресов ПОСЛЕ него. Совсем как охранник у входа, который получает всю почту, а потом раздает ее жильцам.
Поток данных имеет специфическую структуру, которая описана в разделе "Структура данных", и специфические особенности, которые описаны в разделе "Физические основы DMX512(1990)".
Структура данных
ПАКЕТ ПРОТОКОЛА DMX512
Перед тем, как начать описывать структуры пакета DMX512, хочу оговориться, что я предполагаю наличие у читателей основных знаний о предоставлении данных в цифровой форме. Данные в DMX512 представляют собой набор высокого (HI) и низкого (LO) уровней сигнала, которые обозначают 1 и 0 соответственно.
Протокол DMX512 работает на частоте 250 кГц - это означает, что каждый бит имеет длительность 4 мкс.
Ожидание (Idle), или НЕТ DMX
При отсутствии правильного передаваемого DMX пакета на выходе DMX линии будет постоянный высокий уровень сигнала (HI, 1).
Сброс (Break)
Длительность не менее 88 мкс. Это означает, что передается 22 нулевых (LO) бита один за другим. Такая последовательность называется командой Сброса (Break). Ее продолжительность может быть и больше и достигать 1 с.
Практика показывает, что немного более длинные сигналы Сброса (чуть более 88 мкс) распознаются лучше, так как приборы программируют обычно по следующему алгоритму: Break= 88 мкс ИЛИ 22 импульса.
Я считаю, что оптимальной длительностью является 120 мкс.
Метка после Сброса (Mark After Break (MAB)
Метка после Сброса (МАВ) передается немедленно после Break и представляет собой высокий уровень сигнала (HI) в течение минимального периода 8 мкс, или 2 импульса. С этим сигналом возникают некоторые проблемы из-за разницы первоначального стандарта DMX512 и DMX512(1990), который используется в настоящее время. В оригинальном варианте длительность этого сигнала должна была равняться 1 импульсу, или 4 мкс. Это вызывало сбои в некоторых принимающих устройствах, так как такой сигнал был слишком короток для распознавания, и в 1990 году длительность МАВ увеличили до 8 мкс, или 2 импульсов. Это вызывает некоторые трудности при использовании старых пультов с новыми приборами и наоборот. Неправильное распознавание МАВ приводит к искажению интерпретации полученного пакета и попаданию "не той" информации в "не тот" канал. Эта ошибка будет распространяться вдоль линии, пока не приведет к полному беспорядку. Некоторые приборы имеют дип-переключатель, с помощью которого можно задавать временные параметры этих сигналов. Максимальной длиной сигнала МАВ может быть 1 с. От себя могу посоветовать вариант в 12 мкс в качестве идеального.
Стартовый Код (Start Code (SC)
Следующим по порядку идет сигнал SC. Проще всего запомнить, что Стартовый код (SC) - это начало текущего потока данных, в котором данные каждого отдельного канала имеют одинаковый формат. Break и MAB отличаются от остальных кадров, но Стартовый код (SC), предшествующий всем кадрам, должен иметь с ними одинаковую структуру и продолжительность в 11 импульсов, или 44 мкс. Самый первый кадр можно назвать данными для канала под номером 0, которого в принципе не существует, но представляет собой именно SC. Для начала рассмотрим структуру кадров данных. Первый из 11 импульсов всегда 0 (LO) и представляет собой Стартовый бит. После него идет сам байт данных из 8 бит (который может принимать значения от 0 до 255 (28-1). Кадр заканчивается двумя единичными (HI) битами, которые являются стоповыми и обозначают окончание данных для данного канала. Канал номер 0 - это SC, который в общем случае ВСЕГДА имеет нулевой байт данных, тем самым показывая, что идет передача данных для диммеров. Согласно текущему стандарту никакое другое значение не может быть использовано. Иногда, правда, SC используют для передачи приемнику информации о том, что следующий пакет предназначен конкретному типу приемников. Собственно, это одно из основных назначений SC - разделять пакеты данных в зависимости от приемника. Но на сегодняшний день по стандарту байт данных SC должен иметь значение 0, которое зарезервировано для диммеров. Необходимо помнить, что в это понятие здесь включены практически все приборы: диммеры, сканеры и проч.!
Метка Времени Между Кадрами (Mark Time Between Frames (MTBF)
Метка времени между кадрами может быть от 0 до 1 секунды, но чем меньше, тем лучше. В каждом кадре есть MTBF, которая предшествует стартовому биту и разделяет кадры один от другого. MTBF имеет значение 1 (HI).
Данные Канала (Channel Data (CD)
Кадры Данных Канала следуют за кадром SC по порядку от 1 до 512 (или менее) и имеют формат, описанный выше.
Метка Времени Между Пакетами (Mark Time Between Packets (MTBP)
После того, как отправлен последний стоповый бит из данных канала (CD), может начинаться передача нового пакета путем отправки заголовка "Сброс + метка после сброса" (Break + MAB). В этот момент, как правило, вставляют небольшой промежуток простоя (IDLE), который представляет собой высокий уровень сигнала и в данном случае называется MTBP. Этот сигнал может быть длинной от 0 до 1 секунды, и каждый разработчик сам выбирает этот параметр для обеспечения оптимальной работы.
ВАЖНО!
Самым замечательным в DMX512 является то, что нет НИКАКОЙ необходимости передавать НОМЕР КАНАЛА!!
Первый байт данных после Стартового кода ( который всегда 0) автоматически берется как данные для первого канала, следующий - для второго, следующий - для третьего и так далее до 512 ИЛИ меньше каналов. Вот каким образом приемник данных интерпретирует передаваемые сигналы, будь он сканером, "вращающейся головой" или диммером. В приемнике и установлен счетчик каналов, встроен в микропроцессор или выполнен в виде отдельного блока. Этот счетчик сбрасывается на 0, когда приемник получает комбинацию "Сброс + Метка после Сброса" (Break + MAB), а когда после этого получен последний из стоповых битов кадра, счетчик увеличивается на единицу. Таким образом, когда проходит кадр SC на выходе счетчика 0 в конце кадра SC (последний из стоповых битов кадра) счетчик увеличивается на единицу и показывает, что следующий байт данных будет принадлежать первому, каналу. В конце прохождения первого кадра (последний стоповый бит), счетчик увеличивается на единицу и так далее. Таким образом, приемник сигнала DMX "знает", к какому каналу относятся текущие данные. Если вы устанавливаете для какого-нибудь прибора адрес, скажем, 50, и прибор имеет 6 каналов, то он просто считывает 6 кадров после того, как его внутренний счетчик каналов достигнет 50, и прекратит считывание, когда он будет равен 55. В тот момент когда посылается новый "Сброс" (Break) и МАВ (что соответствует началу нового пакета), счетчик сбрасывается на 0. Так что ничто не мешает пульту или программе генерировать всего 100 байт данных после SC для 100 каналов и после этого посылать Break. Нет необходимости генерировать все 512 кадров (см. диаграмму 1).
То, что вы видите на диаграммах, происходит так быстро, что скроллеры не меняют цвет. Приемники сохраняют последнее полученное значение и реагируют на смену значения сменой атрибута прибора.
Следующее выражение описывает длительность стандартного пакета DMX512(1990):
[(88)+(12)+(44)+(CHL*44)+(CHL*MTBF)+(MTBP)] мкс,
где CHL - используемое количество каналов,
Идеальная длительность (по моему мнению):
[(120)+(12)+(44)+(CHL*44)+(0)+(50)] мкс.
Для всех 512 каналов длительность моего пакета составит 22754 микросекунд.
Таким образом, частота регенерации = 1000000 / 22754 = 43,9 Гц.
Частота регенерации может также зависеть от производительности процессора, используемого алгоритма и архитектуры системы.
То, каким электрическим методом пульт управления DMX512 передает 0 и 1, и то, каким образом эти сигналы принимаются приборами, безусловно, важно для понимания, так как 80 процентов всех наших проблем с DMX вызваны теми или иными физическими искажениями сигнала.
Сигнал DMX512 передается по промышленному интерфейсу EIA485, более известному как RS485. Он не сильно отличается от стандартного интерфейса RS232, разъем которого есть на вашем компьютере, но это не совсем одно и то же.
Специально оснащенные компьютеры имеют в своей архитектуре порт RS485 для различных задач, но форматы передачи информации достаточно различаются. Это можно сравнить с использованием латинского алфавита для написания русских слов - практически все русские поймут, хотя алфавит иностранный, но почти все англичане не поймут, хотя алфавит родной.
Стандарт RS485 использует 2/3 провода для передачи высокого (HI) и низкого (LO) уровней сигнала, которые представляют 1 и 0 соответственно:
положительный провод (+s)
отрицательный провод (-s)
нулевой или земляной провод (0v)
Цифровая единица передается тогда, когда потенциал положительного провода больше потенциала отрицательного - U+s>U-s .
Цифровой ноль передается тогда, когда потенциал положительного провода меньше потенциала отрицательного - U-s>U+s .
Именно разность потенциалов между двумя сигнальными проводами имеет значение, а не разность потенциалов между каждым из сигнальных проводов и нулевым проводом, который является просто опорной точкой. В принципе в некоторых установках с использованием интерфейса EIA485 земляной провод может вообще отсутствовать. Высокий и низкий уровни потенциала достаточно четко описываются стандартом интерфейса RS485. Потенциал каждого из сигнальных проводов может лежать в пределах от +12 до -7 В относительно нулевого провода.
Например, чтобы передать единицу, необходимо, чтобы потенциал положительного провода был +5 В, а отрицательного -5 В. Чтобы передать ноль, необходимо, чтобы потенциал положительного провода был -5 В, а отрицательного +5 В.
ВОТ ТАК:
Какую минимальную разницу потенциалов приемник должен воспринимать как изменение состояния сигнала? Стандарт EIA485 гласит, что это должно быть ХОТЯ БЫ 200 мВ, или, что то же самое, 0,2 В. И что опять-таки важно, это ОТНОСИТЕЛЬНАЯ разница МЕЖДУ двумя сигнальными проводами. Зачастую земляной провод в экранированных проводах используется в качестве экрана, и не больше. Другими словами, такая схема имеет два главных преимущества.
Помехи (а их обычно предостаточно на площадке) наводятся одинаково в обоих проводах в ОДНОЙ ФАЗЕ. Это значит, что они увеличиваются и уменьшаются в обоих проводах одновременно. В результате на приемник попадает та же самая разность потенциалов, что и была изначально.
Если сигнал выходит из пульта и имеет параметры, допустим, +/- 5 В, когда сигнал идет по кабелю с высоким сопротивлением, то как правило, оба сигнальных провода в кабеле имеют одинаковое сопротивление, и в результате ослабляются оба потенциала в обоих проводах. Это значит, что если даже потенциал каждого провода относительно нулевого упадет до +/- 100 мВ, то приемник все равно распознает передаваемую информацию, потому что разность потенциалов все еще на уровне 200 мВ. Наконец, бывает очень плохо, но не настолько же!!!
Кабели и разъемы
Используемые кабели должны соответствовать тем требованиям, которые к ним предъявляет стандарт EIA485. Это должны быть ВИТЫЕ пары сигнальных проводов (для снижения наводок), кабель должен иметь хорошую оплетку и экран.
Никогда не берите микрофонный кабель у звуковиков - он в конце концов подведет вас. Провода в этих кабелях не перекручены должным образом, и, что хуже всего, их земляной провод подсоединен к корпусам обоих разъемов. У многих пультов управления некоторые блоки подсоединены к земле питания, и это может вызывать ошибки передачи данных.
Распайка разъема XLR5 :
Экран
Отрицательный сигнальный провод
Положительный сигнальный провод
Отрицательный резервный провод (часто используется для контроля приборов)
Положительный резервный провод (то же, что и предыдущий)
Некоторые производители используют трехпиновые XLR для совместимости с микрофонными кабелями, но это уже отход от стандарта USITT DMX512.
Нагрузка сети
По стандарту USITT DMX512 каждый передатчик сигнала DMX512 может управлять приборами (диммерами, сканерами, скроллерами и проч.) в количестве до 32. Все эти приборы соединяются последовательно, так как у большинства из них есть вход и выход сигнала DMX512 (DMX512 IN, DMX512 OUT). Причем выходной разъем всегда МАМА, а входной разъем всегда ПАПА - это отличие от звуковых разъемов. Для использования более 32 приборов необходим разветвитель (DMX Splitter), который состоит из одного входа и нескольких выходов. На каждой выходной линии разветвителя может быть посажено до 32 приборов. Все 32 прибора должны соответствовать стандарту EIA485 в отношении приемников. Если какой-нибудь прибор подгружает линию больше чем положено, необходимо использовать меньшее количество приборов.
ВАЖНО!
Как во всяких сетях передачи данных, линия DMX512 должна заканчиваться терминатором (если нет внутренней терминации в последнем приборе) вне зависимости от того, сколько приборов в линии. Терминатор - это обычно сопротивление 120 Ом 0,25 Вт, напаянное между вторым и третьим контактами пятиконтактного XLR разъема, который вставлен в выход последнего в линии прибора.
Отсутствие терминатора приводит к отражению сигнала от конца линии и ошибкам в считывании сигнала приборами, которые могут начать производить незапланированные действия (крутится, моргать и т. п.). Сопротивление "съедает" сигнал и не позволяет ему отражаться.
Но довольно о физике DMX!!
Использование оптических изоляторов
Итак, мы рассмотрели основные вопросы, касающиеся DMX 512, и его особенности как протокола передачи данных. Подводя итог, необходимо сказать несколько слов относительно особенностей построения систем с использованием DMX512.
Еще раз хочу обратить ваше внимание на то, что сигнал DMX - это сбалансированный дифференциальный электрический сигнал, который передается от "хрупких" маломощных приборов (консолей) к высокомощным (диммерам). Если происходит высоковольтный пробой в диммерном рэке, вполне возможно, что высокое напряжение может передаться через линии DMX обратно к пульту управления и вывести его из строя. Также существует вероятность того, что неполадка в электронном блоке управления одного диммера может вывести из строя блок управления другого диммера или прибора.
Для того, чтобы избежать этих нежелательных последствий, каждая линия должна подключаться с использованием оптического изолятора (см. рис. 3). Другими словами, оптический изолятор - это прибор, который преобразует цифровой электрический сигнал сначала в световые импульсы, а затем обратно. В таком случае отсутствует электрическая завязка между входом и выходом и, следовательно, "нежные" консоли полностью защищены от любых скачков напряжения в высокомощных блоках.
Простейший DMX тестер
Этот тестер можно использовать для простейшей проверки целостности кабеля и работоспособности линии.
Потребуется:
5-контактный разъем XLR папа;
два 270-омных сопротивления
0.5 Вт;
двухцветный светодиод.
Схему надо подсоединить к указанным контактам разъема и поместить в его корпус так, чтобы снаружи остался только светодиод.
Инструкция:
Вставьте тестер в гнездо, которое надо проверить.
Поставьте на консоли все каналы на 0 процентов. Диод будет светиться одним цветом.
Выставьте все каналы наполную. Диод должен загореться другим
цветом.
Если диод не горит в одном из двух случаев, это значит, что произошло короткое замыкание между одной из линий и первым контактом.
Ничего особенного, но часто бывает полезным!
Заключение
Авторы стандарта DMX512 были уверены, что создают универсальное решение для систем управления светом. Сейчас они сами готовы признать, что их попытка была похожа на "приведение к общему наименьшему знаменателю", в особенности в области профессионального "прокатного" света. Тем не менее присущая стандарту простота и легкость создания и эксплуатации довольно сложных систем послужили причиной того, что его появление вызвало бурный отклик и стандарт получил широкое распространение.
Первоначально DMX512 был разработан только для передачи данных между консолью и диммерами и не включал в себя ни механизма коррекции ошибок, ни мало-мальски сложной системы адресов. Но сейчас DMX512 применяют для управления скроллерами, сканерами и другими достаточно сложными приборами, которые не были даже изобретены, когда разрабатывался стандарт. По некоторым параметрам технология уже достигла предела, который ей диктуют рамки протокола DMX512. Были созданы другие протоколы (такие, как SMX и SDX), которые компенсируют слабые места DMX512, но пока ни один не нашел столь широкого применения, как DMX512.
Приложение
Несколько слов о других протоколах
AMX 192. Аналоговый протокол. Широко применялся до введения DMX. Страдает всеми присущими аналоговым протоколам недостатками.
>D54(Strand). Тоже аналоговый протокол. Помимо всего прочего отличается склонностью к образованию земляных контуров и непредсказуемым поведением.
PMX(Pulsar). Цифровой протокол на базе RS232. Имеет низкую скорость передачи данных (9600 бд), осуществляет передачу только тогда, когда что-то изменяется. Применение ограничено, так как этот протокол не выдерживает ситуации, когда быстро меняется много параметров.
CMX(Colortran). "Отец" DMX512. Приборы CMX легко переделываются в DMX512.
SMX (Strand). Современный цифровой протокол со встроенными функциями контроля и коррекции ошибок, обратной связью и разветвленной системой адресации. Из-за всего перечисленного применять его на практике сложно, и особого распространения он пока не получил.
MIDI Show Control. Не является конкретным протоколом для управления светом. Используется для синхронизации различных шоу-систем, например света, звука и пиротехники. Широко применяется в развлекательных парках.
