王藝

【摘 要】 介紹中山廣播電視臺(tái)演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制的系統(tǒng)組成，論述其結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 演播廳；機(jī)械吊掛系統(tǒng)；中央控制器；RS-232 串行口；RJ-45 以太網(wǎng)接口；掌上控制器

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.07.004

前言

廣東中山廣播電視臺(tái)（簡(jiǎn)稱“中山臺(tái)”）600 m2演播廳從2002年建成投入使用以來(lái)，一直承擔(dān)著各類型綜藝節(jié)目的直播、錄制任務(wù)，是目前中山臺(tái)節(jié)目制作的主要場(chǎng)所。該演播廳中，機(jī)械吊掛系統(tǒng)配置以水平電動(dòng)吊桿和三動(dòng)作機(jī)械燈具為主；同時(shí)，使用有線數(shù)字式掌上控制器控制系統(tǒng)吊桿的升降和機(jī)械聚光燈的各種動(dòng)作，來(lái)完成燈光師的布光工作。因有線控制的局限性及設(shè)備老化和技術(shù)落后而帶來(lái)了一些問(wèn)題，給布光及演出工作造成了許多不便及隱患：（1）由于掌上控制器拉著一根信號(hào)線不能到達(dá)演播廳的每個(gè)角落，增加調(diào)光人手和工作量，有時(shí)對(duì)一臺(tái)燈具的調(diào)整需要來(lái)回走幾次；（2）控制線的接口經(jīng)常移動(dòng)很容易造成內(nèi)部線路“斷路”，容易出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)甚至癱瘓，給工作帶來(lái)不少麻煩；（3）由于早期的掌上電腦（PDA）產(chǎn)品市面上早已經(jīng)停產(chǎn)，根本沒有配件可備份，僅有的掌上控制器成為演出時(shí)唯一有效器件，這為系統(tǒng)運(yùn)行及演出帶來(lái)很大的安全隱患。

因此，2013年，中山臺(tái)對(duì)該吊掛系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了技術(shù)改造——改用無(wú)線方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，改造后效果很好。以下將本次改造的一些技術(shù)特點(diǎn)作簡(jiǎn)單介紹。

1 演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前吊掛系統(tǒng)是以AT89C51高性能CMOS8位單片機(jī)作中央控制器，其工作頻率為24 MHz，具有雙工UART串行通道，系統(tǒng)采用的是RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)雙向放大器分別與吊桿控制器、燈具控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)幀指令傳輸。當(dāng)某個(gè)吊桿控制器接到中央控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀后，吊桿指示燈變亮，同時(shí)點(diǎn)控操作界面“上升”或“下降”，就可以完成提升機(jī)的升、降動(dòng)作；當(dāng)?shù)鯒U升降過(guò)程中碰到限位開關(guān)，吊桿控制器也會(huì)反饋數(shù)據(jù)幀給中央控制器，來(lái)中斷升、降指令。同樣，當(dāng)某個(gè)燈具控制器接收到中央控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀后，它通過(guò)燈具分控箱執(zhí)行，該號(hào)燈具指示燈變亮，同時(shí)點(diǎn)控操作界面“水平”、“仰俯”和“調(diào)焦”動(dòng)作，營(yíng)造演出所要的燈光效果。AT89C51單片機(jī)作中央控制器的控制界面，由一臺(tái)掌上控制器和一臺(tái)臺(tái)式電腦控制器組成。臺(tái)式電腦控制器放置在二樓燈控室與演播廳現(xiàn)場(chǎng)隔離，使用操作時(shí)只能通過(guò)對(duì)講機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)燈光師溝通，才能進(jìn)行燈光對(duì)光或演出時(shí)景片升降，操作程序繁瑣，一般極少使用，只作應(yīng)急操作，而且操作軟件運(yùn)行必須在win95系統(tǒng)軟件才能工作。而掌上控制器放置于演播廳現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)一條長(zhǎng)為3 m的RS-232串行通信信號(hào)線連接中央控制器，該設(shè)計(jì)允許用戶在演播廳現(xiàn)場(chǎng)的一定范圍位置內(nèi)進(jìn)行操作。多年的實(shí)際工作中，都是使用掌上控制器進(jìn)行布光和演出時(shí)升降景片的操作。改造前系統(tǒng)原理圖見圖1，演播廳機(jī)械吊掛分布圖見圖2。

2 明確改造方案與目標(biāo)

基于上述分析，如果想根本解決目前存在的問(wèn)題，可以采用先進(jìn)的數(shù)控變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但這相當(dāng)于重新建造一套機(jī)械吊掛控制系統(tǒng)，改造成本十分昂貴。這與本次改造的原則——“技術(shù)改造需要節(jié)省資金”相違背。所以，我們把目光再次回到現(xiàn)有系統(tǒng)中。分析發(fā)現(xiàn)，需改進(jìn)的問(wèn)題主要是在系統(tǒng)的操作面板的掌上控制器上，它為早期的PDA產(chǎn)品，內(nèi)存小、屏幕識(shí)別率低、操作不便，使得在控制時(shí)命令經(jīng)常得不到執(zhí)行，反應(yīng)遲緩，經(jīng)常出現(xiàn)按了“停止”后，吊桿及機(jī)械燈停不下來(lái)或不受控的現(xiàn)象；系統(tǒng)采用RS-232串口協(xié)議，傳輸距離短（最大約為15 m～20 m），速率低（20 Kb/s），而掌上控制器一般在演播室地面使用，通過(guò)信號(hào)線與燈柵層中央控制器連接，燈柵層的高度已有10 m左右，容易造成信號(hào)的不穩(wěn)定，因此，應(yīng)盡量縮短連接的距離；掌上控制器與信號(hào)線的接口由于經(jīng)常移動(dòng)，很容易松動(dòng)接觸不良，導(dǎo)致信號(hào)中斷；掌上控制器使用范圍有限，且掌上控制器需由信號(hào)線供電，且較笨重，攜帶不便。所以，在改造時(shí)，把技術(shù)改造放在控制系統(tǒng)的操作界面上，充分考慮實(shí)際情況，制定出以下改造方案，系統(tǒng)圖見圖3。

如圖3所示，從中央控制器以下的設(shè)備保留，將原掌上控制器及插座箱取消，用WINDOWS MOBILE或CE系統(tǒng)的智能PDA（日后還可以升級(jí)在使用安卓系統(tǒng)的普通手機(jī)上使用）。在寫入專業(yè)操作軟件后作為控制器，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)卡，可通過(guò)WI-FI收發(fā)信號(hào)；并在演播室的設(shè)備層靠中心位置，放置1臺(tái)TP-LINK無(wú)線路由器，這樣WI-FI信號(hào)可全方位覆蓋整個(gè)演播室；增加1套網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器NRC（Net to RS-232 Converter），位置在中央控制器的附近，將從TP-LINK接收到的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成RS-232信號(hào)，再連接到系統(tǒng)的中央控制器，從而實(shí)現(xiàn)演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)的無(wú)線掌上控制。

3 具體應(yīng)用實(shí)施

在明確了改造方案與目標(biāo)后，進(jìn)入具體實(shí)施階段，這其實(shí)就是一種RS-232串行通信接口與RJ-45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，即將目前已有吊掛系統(tǒng)的AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器接到以太網(wǎng)甚至接入互聯(lián)網(wǎng)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的總體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

RS-232接口與RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換器由控制單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元、電源單元組成，見圖4。其中，控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和轉(zhuǎn)換，它的核心是單片機(jī)；網(wǎng)絡(luò)接口單元完成數(shù)據(jù)以太網(wǎng)幀格式的封裝、拆封以及信號(hào)的變換，電源單元為控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元提供電源。

單片機(jī)系統(tǒng)是具有標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行異步通信接口，若要通過(guò)NRC轉(zhuǎn)換器接入互聯(lián)網(wǎng)，首先要接入局域網(wǎng)，即采用常用的以太網(wǎng)RJ-45，然后再接入互聯(lián)網(wǎng)，如圖5所示。若數(shù)據(jù)從單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，則單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的異步串行數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，然后上傳到互聯(lián)網(wǎng)；反之亦然。endprint

3.2 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器由C8051F201單片機(jī)和RTL8019AS以太控制器組成硬件平臺(tái)，編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)模塊可滿足具有RS-232接口的吊掛系統(tǒng)各種動(dòng)作的需要。其中RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)接口主要性能符合EthernetII與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，全雙工收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率，比目前RS-232標(biāo)準(zhǔn)的20 Kb/s速率大大提高。

（1）控制單元。該單元由單片機(jī)、存儲(chǔ)器和鎖存器等電路組成。單片機(jī)采用12位MCU（微控制器）C8051F021，該芯片內(nèi)部有64 K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，同時(shí)提供ISP（In-System Programing）在線編程功能，方便程序調(diào)試以及軟件升級(jí)。由于C8051F021單片機(jī)片內(nèi)含有4 352（4 K+256）字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，完全可以滿足目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的接收和處理，在使用過(guò)程中不需外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀和RS-232發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，而電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)化。

（2）網(wǎng)絡(luò)接口單元。網(wǎng)絡(luò)接口單元由以太網(wǎng)控制器、存儲(chǔ)器和耦合隔離變壓器等組成。以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生產(chǎn)的高集成度專用以太網(wǎng)接口芯片，支持PNP自動(dòng)探測(cè)，內(nèi)嵌16KB 的SRAM，具有全雙工的通信接口。RTL8019AS 是針對(duì)ISA（Industry Standard Architecture）總線而設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò)控制器與網(wǎng)絡(luò)電纜的物理連接、介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC（Medium Access Control）數(shù)據(jù)幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯(cuò)誤校驗(yàn)、數(shù)據(jù)信號(hào)的編/解碼和數(shù)據(jù)的串/并變換。RTL8019AS的數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收過(guò)程通過(guò)2個(gè)DMA操作來(lái)完成：本地DMA完成RTL8019AS 與片內(nèi)隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)傳送，作用是完成控制器和網(wǎng)絡(luò)線的數(shù)據(jù)交換；遠(yuǎn)程DMA完成RTL8019AS與外部處理器之間的數(shù)據(jù)傳送。

由于RTL8019AS工作于跳線模式，單片機(jī)C8051F201是靠地址總線和讀寫總線對(duì)RTL8019AS進(jìn)行操作的，因此把RTL8019AS的地址總線與單片機(jī)地址總線相連，再通過(guò)隔離濾波變壓器與以太網(wǎng)RJ-45接口相連，耦合隔離變壓器主要是起信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。利用C8051F201控制RTL8019AS的各項(xiàng)操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通過(guò)RJ-45接口進(jìn)入RTL8019AS的緩沖區(qū)，然后經(jīng)過(guò)RTL8019AS處理后被讀入到C8051F201暫存，暫存的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口傳送到原單片機(jī)吊掛系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈；在向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈RS-232串口發(fā)送數(shù)據(jù)包至C8051F201開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程操作將組幀后的數(shù)據(jù)寫入到RTL8019AS的片SRAM，再經(jīng)RJ-45接口發(fā)送至以太網(wǎng)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器程序

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器上電復(fù)位后，主程序進(jìn)入檢測(cè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，分析接收到的數(shù)據(jù)包類型做出相應(yīng)的處理；若單片機(jī)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入串行口中斷服務(wù)程序，處理接收的串行數(shù)據(jù)包。流程如圖7所示。

3.4 實(shí)現(xiàn)WI-FI連接及操控

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的RS-232單片機(jī)系統(tǒng)總線協(xié)議通信與RJ-45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換后，終于有條件實(shí)現(xiàn)靈活的局域網(wǎng)無(wú)線連接了。其結(jié)構(gòu)見圖8。

操作中，我們通過(guò)RJ-45接口與無(wú)線路由器連接，實(shí)際上就是通過(guò)無(wú)線路由器把NRC轉(zhuǎn)換的有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)，供支持其技術(shù)的相關(guān)移動(dòng)設(shè)備、PDA等接收。PDA使用目前最流行的Windows CE系統(tǒng)，人機(jī)操作界面的品質(zhì)大大提高，從而實(shí)施自由的控制演播廳吊掛系統(tǒng)，見圖9。

由于PDA與無(wú)線路由器間是無(wú)線連接，構(gòu)成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備也可以通過(guò)無(wú)線路由器發(fā)出的WI-FI信號(hào)連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備與路由器之間會(huì)間歇性地與路由器進(jìn)行通信，這不僅占用了一定的帶寬，還會(huì)干擾PDA控制器與路由器之間的通信，進(jìn)而影響PDA與吊掛系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定性。另一方面，外來(lái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)意味著入侵了本臺(tái)的吊掛系統(tǒng)，可以對(duì)吊掛系統(tǒng)進(jìn)行控制。尤其是一旦在晚會(huì)錄播和電視直播期間被惡意入侵控制，后果不堪設(shè)想。

為此，筆者對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題做了以下防范措施：

（1）設(shè)置無(wú)線路由器LAN口的基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，修改IP地址為192.168.0.1，當(dāng)然可以修改為更不常用的IP地址（如192.168.144.0）。因?yàn)橐话懵酚善魇褂玫木W(wǎng)段是192.168.1.0/24，設(shè)備連接路由器后可以通過(guò)192.168.1.1或192.168.1.254來(lái)訪問(wèn)路由器后臺(tái)。修改LAN口IP地址后加強(qiáng)了別人揣測(cè)路由器后臺(tái)地址的難度，從而一定程度上防止后臺(tái)入侵。若加強(qiáng)暴力破解難度，可以同時(shí)修改LAN口的子網(wǎng)掩碼。

（2）開啟無(wú)線路由器MAC地址過(guò)濾功能。MAC地址的過(guò)濾規(guī)則設(shè)置為“禁止列表中生效規(guī)則之外的MAC地址訪問(wèn)本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)”，并將PDA控制器的MAC地址加入到允許列表中。如此一來(lái)，可以禁止外來(lái)設(shè)備連接到本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（3）給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加個(gè)“通行證”，設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)入密碼。密碼的加密類型選擇WPA2-PSK，密碼長(zhǎng)度大于8位，密碼內(nèi)容為數(shù)字和字符的混合。當(dāng)外來(lái)設(shè)備連接本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須出示“通行證”才允許連入，并修改無(wú)線路由器后臺(tái)默認(rèn)密碼。

當(dāng)無(wú)線路由器要接入有線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，還可以進(jìn)一步設(shè)置路由器的安全設(shè)置，如開啟防火墻，開啟IP地址過(guò)濾和域名過(guò)濾，IP與MAC綁定等等安全措施，有興趣的讀者可以自己查詢相關(guān)資料，進(jìn)行測(cè)試、研究。

4 總結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，以及應(yīng)用到演播廳燈光系統(tǒng)的信息共享程度的不斷提高，以單片機(jī)為中心的機(jī)械吊掛、智能燈具控制等系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)共享信息已成為可能。

通過(guò)本次改造，把RS-232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，這樣就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案，無(wú)需淘汰原有設(shè)備，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約改造費(fèi)用，還大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化改造后，系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性加強(qiáng)，很少出現(xiàn)控制不靈的現(xiàn)象；極大地改善布光的靈活性，燈光師可在演播室的任意位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，工作效率及效果均明顯提升，成功實(shí)現(xiàn)了演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)的無(wú)線控制方式，解決了長(zhǎng)期困擾燈光師的難題。endprint

3.2 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器由C8051F201單片機(jī)和RTL8019AS以太控制器組成硬件平臺(tái)，編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)模塊可滿足具有RS-232接口的吊掛系統(tǒng)各種動(dòng)作的需要。其中RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)接口主要性能符合EthernetII與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，全雙工收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率，比目前RS-232標(biāo)準(zhǔn)的20 Kb/s速率大大提高。

（1）控制單元。該單元由單片機(jī)、存儲(chǔ)器和鎖存器等電路組成。單片機(jī)采用12位MCU（微控制器）C8051F021，該芯片內(nèi)部有64 K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，同時(shí)提供ISP（In-System Programing）在線編程功能，方便程序調(diào)試以及軟件升級(jí)。由于C8051F021單片機(jī)片內(nèi)含有4 352（4 K+256）字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，完全可以滿足目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的接收和處理，在使用過(guò)程中不需外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀和RS-232發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，而電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)化。

（2）網(wǎng)絡(luò)接口單元。網(wǎng)絡(luò)接口單元由以太網(wǎng)控制器、存儲(chǔ)器和耦合隔離變壓器等組成。以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生產(chǎn)的高集成度專用以太網(wǎng)接口芯片，支持PNP自動(dòng)探測(cè)，內(nèi)嵌16KB 的SRAM，具有全雙工的通信接口。RTL8019AS 是針對(duì)ISA（Industry Standard Architecture）總線而設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò)控制器與網(wǎng)絡(luò)電纜的物理連接、介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC（Medium Access Control）數(shù)據(jù)幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯(cuò)誤校驗(yàn)、數(shù)據(jù)信號(hào)的編/解碼和數(shù)據(jù)的串/并變換。RTL8019AS的數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收過(guò)程通過(guò)2個(gè)DMA操作來(lái)完成：本地DMA完成RTL8019AS 與片內(nèi)隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)傳送，作用是完成控制器和網(wǎng)絡(luò)線的數(shù)據(jù)交換；遠(yuǎn)程DMA完成RTL8019AS與外部處理器之間的數(shù)據(jù)傳送。

由于RTL8019AS工作于跳線模式，單片機(jī)C8051F201是靠地址總線和讀寫總線對(duì)RTL8019AS進(jìn)行操作的，因此把RTL8019AS的地址總線與單片機(jī)地址總線相連，再通過(guò)隔離濾波變壓器與以太網(wǎng)RJ-45接口相連，耦合隔離變壓器主要是起信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。利用C8051F201控制RTL8019AS的各項(xiàng)操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通過(guò)RJ-45接口進(jìn)入RTL8019AS的緩沖區(qū)，然后經(jīng)過(guò)RTL8019AS處理后被讀入到C8051F201暫存，暫存的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口傳送到原單片機(jī)吊掛系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈；在向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈RS-232串口發(fā)送數(shù)據(jù)包至C8051F201開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程操作將組幀后的數(shù)據(jù)寫入到RTL8019AS的片SRAM，再經(jīng)RJ-45接口發(fā)送至以太網(wǎng)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器程序

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器上電復(fù)位后，主程序進(jìn)入檢測(cè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，分析接收到的數(shù)據(jù)包類型做出相應(yīng)的處理；若單片機(jī)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入串行口中斷服務(wù)程序，處理接收的串行數(shù)據(jù)包。流程如圖7所示。

3.4 實(shí)現(xiàn)WI-FI連接及操控

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的RS-232單片機(jī)系統(tǒng)總線協(xié)議通信與RJ-45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換后，終于有條件實(shí)現(xiàn)靈活的局域網(wǎng)無(wú)線連接了。其結(jié)構(gòu)見圖8。

操作中，我們通過(guò)RJ-45接口與無(wú)線路由器連接，實(shí)際上就是通過(guò)無(wú)線路由器把NRC轉(zhuǎn)換的有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)，供支持其技術(shù)的相關(guān)移動(dòng)設(shè)備、PDA等接收。PDA使用目前最流行的Windows CE系統(tǒng)，人機(jī)操作界面的品質(zhì)大大提高，從而實(shí)施自由的控制演播廳吊掛系統(tǒng)，見圖9。

由于PDA與無(wú)線路由器間是無(wú)線連接，構(gòu)成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備也可以通過(guò)無(wú)線路由器發(fā)出的WI-FI信號(hào)連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備與路由器之間會(huì)間歇性地與路由器進(jìn)行通信，這不僅占用了一定的帶寬，還會(huì)干擾PDA控制器與路由器之間的通信，進(jìn)而影響PDA與吊掛系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定性。另一方面，外來(lái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)意味著入侵了本臺(tái)的吊掛系統(tǒng)，可以對(duì)吊掛系統(tǒng)進(jìn)行控制。尤其是一旦在晚會(huì)錄播和電視直播期間被惡意入侵控制，后果不堪設(shè)想。

為此，筆者對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題做了以下防范措施：

（1）設(shè)置無(wú)線路由器LAN口的基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，修改IP地址為192.168.0.1，當(dāng)然可以修改為更不常用的IP地址（如192.168.144.0）。因?yàn)橐话懵酚善魇褂玫木W(wǎng)段是192.168.1.0/24，設(shè)備連接路由器后可以通過(guò)192.168.1.1或192.168.1.254來(lái)訪問(wèn)路由器后臺(tái)。修改LAN口IP地址后加強(qiáng)了別人揣測(cè)路由器后臺(tái)地址的難度，從而一定程度上防止后臺(tái)入侵。若加強(qiáng)暴力破解難度，可以同時(shí)修改LAN口的子網(wǎng)掩碼。

（2）開啟無(wú)線路由器MAC地址過(guò)濾功能。MAC地址的過(guò)濾規(guī)則設(shè)置為“禁止列表中生效規(guī)則之外的MAC地址訪問(wèn)本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)”，并將PDA控制器的MAC地址加入到允許列表中。如此一來(lái)，可以禁止外來(lái)設(shè)備連接到本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（3）給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加個(gè)“通行證”，設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)入密碼。密碼的加密類型選擇WPA2-PSK，密碼長(zhǎng)度大于8位，密碼內(nèi)容為數(shù)字和字符的混合。當(dāng)外來(lái)設(shè)備連接本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須出示“通行證”才允許連入，并修改無(wú)線路由器后臺(tái)默認(rèn)密碼。

當(dāng)無(wú)線路由器要接入有線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，還可以進(jìn)一步設(shè)置路由器的安全設(shè)置，如開啟防火墻，開啟IP地址過(guò)濾和域名過(guò)濾，IP與MAC綁定等等安全措施，有興趣的讀者可以自己查詢相關(guān)資料，進(jìn)行測(cè)試、研究。

4 總結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，以及應(yīng)用到演播廳燈光系統(tǒng)的信息共享程度的不斷提高，以單片機(jī)為中心的機(jī)械吊掛、智能燈具控制等系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)共享信息已成為可能。

通過(guò)本次改造，把RS-232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，這樣就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案，無(wú)需淘汰原有設(shè)備，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約改造費(fèi)用，還大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化改造后，系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性加強(qiáng)，很少出現(xiàn)控制不靈的現(xiàn)象；極大地改善布光的靈活性，燈光師可在演播室的任意位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，工作效率及效果均明顯提升，成功實(shí)現(xiàn)了演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)的無(wú)線控制方式，解決了長(zhǎng)期困擾燈光師的難題。endprint

3.2 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器由C8051F201單片機(jī)和RTL8019AS以太控制器組成硬件平臺(tái)，編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)模塊可滿足具有RS-232接口的吊掛系統(tǒng)各種動(dòng)作的需要。其中RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)接口主要性能符合EthernetII與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，全雙工收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率，比目前RS-232標(biāo)準(zhǔn)的20 Kb/s速率大大提高。

（1）控制單元。該單元由單片機(jī)、存儲(chǔ)器和鎖存器等電路組成。單片機(jī)采用12位MCU（微控制器）C8051F021，該芯片內(nèi)部有64 K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，同時(shí)提供ISP（In-System Programing）在線編程功能，方便程序調(diào)試以及軟件升級(jí)。由于C8051F021單片機(jī)片內(nèi)含有4 352（4 K+256）字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，完全可以滿足目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的接收和處理，在使用過(guò)程中不需外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀和RS-232發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，而電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)化。

（2）網(wǎng)絡(luò)接口單元。網(wǎng)絡(luò)接口單元由以太網(wǎng)控制器、存儲(chǔ)器和耦合隔離變壓器等組成。以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生產(chǎn)的高集成度專用以太網(wǎng)接口芯片，支持PNP自動(dòng)探測(cè)，內(nèi)嵌16KB 的SRAM，具有全雙工的通信接口。RTL8019AS 是針對(duì)ISA（Industry Standard Architecture）總線而設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò)控制器與網(wǎng)絡(luò)電纜的物理連接、介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC（Medium Access Control）數(shù)據(jù)幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯(cuò)誤校驗(yàn)、數(shù)據(jù)信號(hào)的編/解碼和數(shù)據(jù)的串/并變換。RTL8019AS的數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收過(guò)程通過(guò)2個(gè)DMA操作來(lái)完成：本地DMA完成RTL8019AS 與片內(nèi)隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)傳送，作用是完成控制器和網(wǎng)絡(luò)線的數(shù)據(jù)交換；遠(yuǎn)程DMA完成RTL8019AS與外部處理器之間的數(shù)據(jù)傳送。

由于RTL8019AS工作于跳線模式，單片機(jī)C8051F201是靠地址總線和讀寫總線對(duì)RTL8019AS進(jìn)行操作的，因此把RTL8019AS的地址總線與單片機(jī)地址總線相連，再通過(guò)隔離濾波變壓器與以太網(wǎng)RJ-45接口相連，耦合隔離變壓器主要是起信號(hào)傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。利用C8051F201控制RTL8019AS的各項(xiàng)操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通過(guò)RJ-45接口進(jìn)入RTL8019AS的緩沖區(qū)，然后經(jīng)過(guò)RTL8019AS處理后被讀入到C8051F201暫存，暫存的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串口傳送到原單片機(jī)吊掛系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈；在向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)或三動(dòng)作聚光燈RS-232串口發(fā)送數(shù)據(jù)包至C8051F201開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程操作將組幀后的數(shù)據(jù)寫入到RTL8019AS的片SRAM，再經(jīng)RJ-45接口發(fā)送至以太網(wǎng)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器程序

網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器上電復(fù)位后，主程序進(jìn)入檢測(cè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，分析接收到的數(shù)據(jù)包類型做出相應(yīng)的處理；若單片機(jī)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入串行口中斷服務(wù)程序，處理接收的串行數(shù)據(jù)包。流程如圖7所示。

3.4 實(shí)現(xiàn)WI-FI連接及操控

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的RS-232單片機(jī)系統(tǒng)總線協(xié)議通信與RJ-45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換后，終于有條件實(shí)現(xiàn)靈活的局域網(wǎng)無(wú)線連接了。其結(jié)構(gòu)見圖8。

操作中，我們通過(guò)RJ-45接口與無(wú)線路由器連接，實(shí)際上就是通過(guò)無(wú)線路由器把NRC轉(zhuǎn)換的有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)，供支持其技術(shù)的相關(guān)移動(dòng)設(shè)備、PDA等接收。PDA使用目前最流行的Windows CE系統(tǒng)，人機(jī)操作界面的品質(zhì)大大提高，從而實(shí)施自由的控制演播廳吊掛系統(tǒng)，見圖9。

由于PDA與無(wú)線路由器間是無(wú)線連接，構(gòu)成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備也可以通過(guò)無(wú)線路由器發(fā)出的WI-FI信號(hào)連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)多臺(tái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各設(shè)備與路由器之間會(huì)間歇性地與路由器進(jìn)行通信，這不僅占用了一定的帶寬，還會(huì)干擾PDA控制器與路由器之間的通信，進(jìn)而影響PDA與吊掛系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定性。另一方面，外來(lái)設(shè)備連接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)意味著入侵了本臺(tái)的吊掛系統(tǒng)，可以對(duì)吊掛系統(tǒng)進(jìn)行控制。尤其是一旦在晚會(huì)錄播和電視直播期間被惡意入侵控制，后果不堪設(shè)想。

為此，筆者對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題做了以下防范措施：

（1）設(shè)置無(wú)線路由器LAN口的基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，修改IP地址為192.168.0.1，當(dāng)然可以修改為更不常用的IP地址（如192.168.144.0）。因?yàn)橐话懵酚善魇褂玫木W(wǎng)段是192.168.1.0/24，設(shè)備連接路由器后可以通過(guò)192.168.1.1或192.168.1.254來(lái)訪問(wèn)路由器后臺(tái)。修改LAN口IP地址后加強(qiáng)了別人揣測(cè)路由器后臺(tái)地址的難度，從而一定程度上防止后臺(tái)入侵。若加強(qiáng)暴力破解難度，可以同時(shí)修改LAN口的子網(wǎng)掩碼。

（2）開啟無(wú)線路由器MAC地址過(guò)濾功能。MAC地址的過(guò)濾規(guī)則設(shè)置為“禁止列表中生效規(guī)則之外的MAC地址訪問(wèn)本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)”，并將PDA控制器的MAC地址加入到允許列表中。如此一來(lái)，可以禁止外來(lái)設(shè)備連接到本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（3）給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加個(gè)“通行證”，設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)入密碼。密碼的加密類型選擇WPA2-PSK，密碼長(zhǎng)度大于8位，密碼內(nèi)容為數(shù)字和字符的混合。當(dāng)外來(lái)設(shè)備連接本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須出示“通行證”才允許連入，并修改無(wú)線路由器后臺(tái)默認(rèn)密碼。

當(dāng)無(wú)線路由器要接入有線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，還可以進(jìn)一步設(shè)置路由器的安全設(shè)置，如開啟防火墻，開啟IP地址過(guò)濾和域名過(guò)濾，IP與MAC綁定等等安全措施，有興趣的讀者可以自己查詢相關(guān)資料，進(jìn)行測(cè)試、研究。

4 總結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，以及應(yīng)用到演播廳燈光系統(tǒng)的信息共享程度的不斷提高，以單片機(jī)為中心的機(jī)械吊掛、智能燈具控制等系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)共享信息已成為可能。

通過(guò)本次改造，把RS-232接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，這樣就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。采用此種方案，無(wú)需淘汰原有設(shè)備，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約改造費(fèi)用，還大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化改造后，系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性加強(qiáng)，很少出現(xiàn)控制不靈的現(xiàn)象；極大地改善布光的靈活性，燈光師可在演播室的任意位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，工作效率及效果均明顯提升，成功實(shí)現(xiàn)了演播廳機(jī)械吊掛系統(tǒng)的無(wú)線控制方式，解決了長(zhǎng)期困擾燈光師的難題。endprint