DMX lichtsturing

DMX512 is een afspraak over de verbinding tussen lichtstuurtafel, dimmers, rookmachines, scrollers enz. Dit protocol is ontstaan uit de behoefte aan standaardisatie en flexibiliteit. DMX512 is in 1986 opgesteld door United States Institute for Theatre Technology (USITT). Het heeft veel weg van het MIDI protocol dat voor muziek instrumenten wordt gebruikt. Oorspronkelijk was het idee om met elk van de 512 kanalen een dimmer aan te sturen. Een 0 stond dan voor dimmer uit, 255 voor 100% aan. Moderne lichtmiddelen hebben voor de besturing elk meerdere kanalen nodig.

DMX512

Bij het bouwen van de apparaten had men behoefte aan een officieel vast protocol dat door iedereen kon worden toegepast. Het protocol is een relatief  eenvoudig protocol, dat al jaren wordt toegepast in dimmers en andere besturingselementen van verlichtingen. De opbouw van het seriële signaal bestaat grofweg uit een aankondiging van een startcode door middel van een zogenaamde “break”, waarna de data verstuurd kan worden. In zogenaamde digitale frames van 11 variabelen wordt ieder frame verstuurd, en bevat een pakket data die ervoor moet zorgen dat de juiste elektronica aangestuurd wordt. De beschikbare kanalen (maximaal 512) komen achtereenvolgens allemaal aan de beurt, waarna alles met een relatief hoge snelheid weer opnieuw wordt herhaald. Iedere ontvanger krijgt een getal toegewezen als adres. De data per adres wordt gedefinieerd voor het apparaat, door het aantal verzonden aantal frames te tellen, en te vergelijken met het toegewezen adres. Ook over de bekabeling zijn afspraken gemaakt. De bekabeling gaat via speciale 120 Ohms getwiste kabels met afschermingmantel, en wordt aangesloten met behulp van drie-, of vijf-polige XLR connectoren.

DMX512 houdt in:

• dat het kabeltype is gestandaardiseerd: afgeschermde kabel met twisted pairs.
• dat het connectortype is gestandaardiseerd: 5-polige XLR.
• dat een kabel de stuurinformatie voert voor maximaal 512 kringen
• dat de bekabeling eenvoudigweg van apparaat naar apparaat wordt doorverbonden. Hieraan ontleent DMX512 haar flexibiliteit.

Door op het ontvangende apparaat een adres in te stellen en ditzelfde adres in te stellen op de DMX-stuur tafel (lichtmixer of software) kan, ondanks dat alle apparaten op dezelfde DMX-kring zijn aangesloten, elke lamp apart bestuurd worden. Ingewikkelde lampen als roboscans met instelbare kleuren, gobo's, etc. hebben meerdere kanalen nodig om alle mogelijkheden te kunnen besturen.

In 1998 zijn de laatste veranderingen aangebracht, en sinds dien heet het USITT DMX 512(1998).

Het DMX512 protocol

DMX staat voor Digital MultipleXed: de stuurkring-informatie wordt in digitale vorm, kring voor kring, dus na elkaar (seriëel, multiplexed) over de kabel verzonden, weer net als MIDI dus. De snelheid waarmee dit plaatsvindt is dermate hoog dat het als gelijktijdig overkomt. Deze snelheid vereist een hoge signaal frequentie en dus moet een DMX-net op een specifieke manier zijn opgebouwd (zie DMX-bekabeling).

De informatie wordt verstuurd door middel van een van polariteit wisselende spanning. Voor DMX512 geldt: De spanning tussen de aders van de stuurkabel is of ofwel ongeveer +2,5V ofwel ongeveer -2,5V. Is de spanning 4µs lang positief, dan is er een "1" verstuurd. Is de spanning daarentegen 4µs lang negatief, dan is er een "0" verstuurd. De inhoud van de informatie is dus tweewaardig; het is of een "0" of een "1". Deze kleinste hoeveelheid informatie noemt men "bit". Het versturen van 1 bit informatie duurt bij DMX512 dus 4µs. De signaalfrequentie is dus 250KHz(!) ofwel 250Kbaud. Door meerdere bits te combineren verkrijgt men informatie die meer dan twee waarden kunnen bezitten.
De combinatie van 8 bits kan 256 verschillende waarden weergeven. Zie hiervoor bits en bytes bij MIDI en binair, octaal, hexadecimaal.
Een combinatie van 8 bits noemt men een byte. Bij DMX512 wordt de informatie voor een stuurkring weergegeven met een byte. Dus als de stuurinformatie voor een dimmer bedoeld is, dan kan de lichtintensiteit op maximaal 256 verschillende waarden worden ingesteld (oplossend vermogen is 256). Deze stapgrootte is in de praktijk meestal voldoende; want voor lampen met een vermogen >100W is een intensiteit-stap van 1/256 niet waarneembaar. Voor bewegend licht kan een kleinere stapgrootte nodig zijn om de bewegingen vloeiend te sturen. Het DMX-protocol wordt dan meestal gemodificeerd naar 16-bits. Met twee gecombineerde bytes zijn 256 x 256 = 65536 waarden mogelijk. Ook hier weer net als bij MIDI met MSB en LSB.

De opbouw van het DMX512-signaal

Het DMX512-signaal bestaat uit een zich herhalende bitstroom die als volgt is opgebouwd: Het begin van de stroom van kringinformatie wordt aangekondigd door gedurende minimaal 88µs "0"-en te verzenden. Deze markering in het DMX512-signaal noemt men de "break". De DMX512-ontvanger in bijvoorbeeld een dimmer zet bij het ontvangen van het breaksignaal een teller op nul. Met deze teller houdt de ontvanger het volgnummer van de bytes bij. Door de dimmer een "adres" (nummer) te geven wordt het voor de ontvanger mogelijk te bepalen welke databyte voor haar bedoeld is. Na het verzenden van het breaksignaal wordt een zogenaamde startbyte verzonden. Deze startbyte maakt het mogelijk aan te geven voor welk soort apparaten de informatie bedoeld is. Voor dimmers bestaat de startbyte uit acht "0-en". De startbyte verruimt de mogelijkheden van het DMX512-protocol.
Na de startbyte volgen maximaal 512 bytes met stuurkringinformatie. Het volgnummer van de bytes bepaalt het kringnummer waarvoor de informatie is bedoeld.

Startbits, Stopbits en data-frame

Teneinde de afzonderlijke bytes in de stroom van "0-en" en "1-en" te kunnen onderscheiden heeft men afgesproken een byte te markeren door altijd eerst een "0" te verzenden, dan de bewuste byte en hierna als eindteken twee "1-en". Men spreekt van respectievelijk een startbit en twee stopbits. Bij elkaar zijn dit elf bits. Het geheel noemt men het data-frame. Het verzenden van een dataframe neemt 44[usec] in beslag. De tijdsduur tussen het verzenden van opeenvolgende bytes en breaks is binnen bepaalde grenzen willekeurig. DMX512 wordt daarom een asynchroon data-protocol genoemd. Samenvattend: communicatie tussen ontvanger (dimmer) en zender (stuurtafel):

• bitduur = 4µs en breakduur >= 88µs
• eerst break, dan startbyte en dan maximaal 512 kringdatabytes
• een byte wordt geflankeerd door een startbit en twee stopbits

Een pakket bestaat dus uit verschillende onderdelen: break, startcode en data. De snelheid voor het verzenden van een pakket is vastgelegd op 250kbaud. Dit betekent dat de bitduur 4µs bedraagt. Wanneer er geen data verzonden wordt is de rusttoestand van de lijn een hoog signaal. De data wordt per byte verzonden. Iedere byte wordt verpakt in een frame. Een frame bestaat uit 11 bits. Dit is 1 startbit (altijd laag), de 8 databits en 2 stopbits (altijd hoog).

Om een pakket te verzenden moet er een break gegenereerd worden. Dit wordt gedaan door geduurende een minimum tijd van 88µs een laag op de lijn te zetten. Na een break volgt een verplicht hoog signaal met een lengte van minimum 8µs en maximum 1s. Het eerste frame bevat de startcode, dit is een code die aangeeft voor welk type toestel de data bedoeld is. De startcode is altijd 0, andere waarden zijn nog niet gebruikt en kunnen in de toekomst worden gebruikt. De volgende frames bevatten de waarde voor de kanalen. Het adres van het kanaal moet niet gebruikt worden. Als men alle 512 kanalen gebruikt dan moeten er 512 waarden verstuurd worden. Bij minder kanalen moeten niet alle 512 verstuurd worden. bevoorbeeld als er 8 kanalen gebruikt worden, moeten er maar 8 waarden verstuurd worden. De minimale tijd tussen 2 frames in is 0s en maximaal 1s. Na het laatste dataframe wordt dan terug een break gegenereerd om het volgende pakket te versturen. De minimale tijd tussen het laatste frame en een break is 0s en maximaal 1s. Dit betekent dat er continu data moet verzonden worden.

 De praktijk: de DMX bekabeling

Het DMX-signaal bestaat uit een hoogfrequente wisselspanning. Denk aan wisselingen in nanoseconden. Dit veroorzaakt verschijnselen, die zich bij analoge aansturing niet voordoen:

• Er ontstaan golven; een niveauwisseling manifesteert zich niet direct overal op de kabel.
• Er ontstaat signaalvervorming door golfreflecties aan kabelovergangen. Overgangen zijn: aangesloten ontvangers, opgenomen connectoren en het eind van de kabel.
• Er ontstaat signaalvervorming door de frequentie-afhankelijkheid van de signaallooptijd, dit beperkt de kabellengte.
• De inductieve en capacitieve eigenschappen van de kabel treden op de voorgrond.
• Een maat voor deze eigenschappen is de zogenaamde karakteristieke weerstand van de kabel. Deze bepaalt de afsluitweerstand van de kabel.
• Aan het laatste apparaat van een keten moet een "dmx-terminator" worden bevestigd voor een goede werking van de rest van de keten. Anders zouden de golven reflecteren tegen het open uiteinde. DMX terminators zijn gewoon te koop, maar voor handige soldeerders is een terminator makkelijk zelf te maken: een XLR plug met ingebouwde 110 Ω 1 Watt metaalfilm (of 2x220Ω parallel) afsluitweerstand tussen pen 2 en 3. Verder niets aansluiten!. Merk de plug, zodat je weet dat het een DMX terminator is!

DMX terminator

Welke kabels?

DMX512 omvat de elektrische specificaties van het industriële RS-485 dataprotocol. De benodigde kabel voor DMX signalen te verzenden heeft officieel volgens het RS-485 protocol 5 aders nodig voor het goed overbrengen van de data. In principe kan het apparaat met minder ook goed functioneren, maar dat is niet volgens de afgesproken normen. RS-485 is een symmetrische spanningssturing; zowel het signaal als de inverse daarvan t.o.v. een common worden verzonden. Hierbij haalt een ontvanger de informatie uit het verschil van deze twee signalen. Storing, aanwezig in beide signalen, valt zo weg. Dit verhoogt de bedrijfszekerheid. De kabel moet afgeschermd zijn en een getwist aderpaar bevatten (STP: Shielded Twisted Pair). De afscherming moet bestaan uit een gevlochten mantel. De karakteristieke weerstand van dergelijke kabels is ± 110 Ω. Het aderpaar voert het signaal (aangeduid met '+') en haar inverse (aangeduid met '-'). De mantel wordt gebruikt als laagohmige verbinding voor de signaalcommon. Zij is zeer belangrijk voor het beheersen van de common mode spanningen en voor het EMC-gedrag (Elektro Magnetische Compatibiliteit: voorkomen dat verschillende elektronische systemen elkaar negatief beïnvloeden) van de kabel.

Twee DMX kabels met twisted pairs en afscherming zichtbaar. De bovenste heeft gevlochten afscherming, de onderste bovendien nog een extra folielaag.

Welke connectoren en hoe aan te sluiten?

Indien connectoren worden toegepast dan moeten het 5-polige XLR typen zijn. Aansluitingen:

• Pin1 = signaalcommon = kabelafscherming
• Pin2 = signaalgespiegelde = "-"
• Pin3 = signaal = "+"
• Pin4 = optioneel (bijv terugmelding - of 2e DMX signaal)
• Pin5 = optioneel (bijv terugmelding + of 2e DMX signaal)

Men moet wel op blijven letten omdat enkele bedrijven al signalen over de kabels 4 en 5 voeren. Een voorbeeld is dat er een referentie spanning van 25 volt op pin 5 wordt aangesloten. Op dit moment zijn er nog geen vaste afspraken over, en kan dit voorkomen, maar in de toekomst kan dit veranderen.

Het is belangrijk dat de signalen galvanisch gescheiden worden van het apparaat. Men moet daarbij ook opletten dat de common geen “GND (ground)” of een logische “0” wordt. De signaal afscherming van de draden, met name de mantel ervan, mag dus niet in verbinding staan met de behuizing van de apparaten, omdat deze geaard zijn.

Hoelang mag een DMX kabel zijn?

De maximale lengte van de stuurkabel wordt beperkt door:

• spanningsverliezen in de draden door weerstand, inductie en kabelcapaciteit
• signaalvervorming door looptijdverschillen voor de harmonischen waaruit het signaal is opgebouwd
• het aantal ontvangers die op de kabel zijn aangesloten
• de specificaties van de zender en ontvangers (EIA RS-485 specificaties!)

Indien alle regels in acht genomen worden kan de kabel 500m (!) zijn, bij één of twee ontvangers en een ader doorsnede van 0,2 mm2. In het geval een grotere afstand moet worden overbrugd, moet een repeater (signaalversterker) worden ingezet. Bij meerdere ontvangers bepaalt de kwaliteit van de ontvangers de maximale lengte van de kabel waarbij een repeater moet worden toegepast. Tegenwoordig zit in veel DMX apparaten al een repeater ingebouwd.

Hoe moet worden bekabeld?

De manier waarop een DMX-net is opgebouwd verdient bijzondere aandacht. Ter voorkoming van signaalvervorming door reflecties moeten de volgende zaken in acht genomen worden:

• De DMX-kabel moet van ontvanger naar ontvanger gaan ("door lussen", oftewel "daisy chain").
• Een met DMX512 aanstuurbaar apparaat is hierop voorbereid door de aanwezigheid van een DMX-in en DMX-out XLR-connector.
• Om reflecties van het signaal op de transmissielijn te voorkomen met bij het laatste apparaat de datalink worden afgesloten met een terminator. Dit houdt in dat tussen '+' en '-' een weerstand wordt gezet die gelijk is aan de karakteristieke weerstand van de kabel (110Ω) en heeft niets met de gelijknamige film te maken! Dit wordt bereikt door in de DMX-out connector een kabeldeel te steken waarin zich een weerstand van 110 Ω bevindt (of 2x220Ω parallel). Uit praktische overwegingen wordt hiervoor overigens vaak een standaard weerstand van 120 Ω gebruikt.
• In een aangesloten apparaat mag de verbinding van de XLR-connector naar het ontvang-IC niet langer zijn dan 30cm
• Indien de kabel vertakt wordt moet er gebruik worden gemaakt van een actieve splitter.
• Elk ontvangend apparaat heeft een instelbaar adres. Dit wordt op het apparaat ingetypt of door middel van een dip-switch ingesteld. Apparaten die hetzelfde adres hebben reageren dus simultaan. De lichttafel of het lichtstuurprogramma van de computer moeten overeenkomstig worden ingesteld.
• In principe kunnen er op een lijn 32 apparaten worden aangesloten. Zijn er meer nodig, dan moet er een repeater (signaalversterker) tussen. Sommige lampen hebben tegenwoordig een ingebouwde repeater.

Kanalen

Om één enkele lamp aan te sturen kunnen meerdere kanalen in gebruik zijn. Om bijvoorbeeld een moving head volledig aan te sturen kunnen 6 kanalen nodig zijn:

1. Intensiteit
2. Kleur
3. Vorm (gobo)
4. X-positie (pan)
5. Y-positie (tilt)
6. Shutter/strobe

Om meer nauwkeurigheid te bereiken met de positionering (precieze hoek is vooral belangrijk bij grote afstanden tot het te belichten onderwerp) kunnen soms ook twee kanalen nodig zijn voor één parameter (bijvoorbeeld x-position). De volgende moving head in dit voorbeeld komt dus op kanaal 7 en gebruikt dan de kanalen 7 t/m 12. Op deze manier kunnen lichtmiddelen worden aangesloten totdat alle 512 kanalen bezet zijn.

Licht controller

Een DMX controller kan "scenes" (lichtstanden) opslaan en later weer oproepen. De snelheid van scenes is te bepalen. Soms is er een microfoon ingebouwd om het licht automatisch op het geluid te laten reageren. Op die manier is een complete lichtshow te programmeren. Als je een softwareprogramma op je computer gebruikt als controller zijn de mogelijkheden nog groter. Ook is de bediening door de grafische interface gemakkelijker.

Een storingsvrij bedrijf:

Storingen bij digitale sturing in het algemeen, dus ook DMX, kunnen zich voordoen als een kortstondige onvoorspelbare verstoring van het normale bedrijf; de installatie kan uren goed functioneren, en hapert dan plotseling. Bij een slechte bekabeling kunnen gemakkelijk onvoorspelbare storingen optreden. Het DMX stuursignaal heeft een zeer hoge frequentie en gedraagt zich heel anders dan een audio signaal.

• Let erop dat het zend- en/of ontvanggedeelte in een apparaat GALVANISCH GESCHEIDEN is uitgevoerd. Verbindt dus nooit de afscherming van de kabel met de behuizing of veiligheidsaarding. Verschillen in het potentiaal van de veiligheidsaarding hebben dan geen effect.
• Leg stuurkabels uit de buurt van netkabels. Netkabels kunnen magnetische velden genereren. De effectiviteit van de kabelafscherming is voor laag frequente magneetvelden nihil. Voor hoogfrequente velden heeft de afscherming alleen dan effect als de fabrikant van de apparatuur de DMX in- en uitgangen op EMC verantwoorde wijze heeft uitgevoerd.
• Denk aan een geschikte terminator aan het einde van de lijn.
• Veiligheid: LET OP de aanwezigheid van de CE-markering!

Bron: Theater technisch Lab, met aanvullingen en verbeteringen.

Virtual light controller

Er zijn ook software oplossingen: in plaats van een lichtmixer te gebruiken voor het opwekken van de DMX signalen, kun je ook een computer met een interface gebruiken hiervoor. Je maakt een schets van de ruimte, je rigs en je kiest de gebruikte lichtbronnen, kleuren etc. Op je beeldscherm kun je dan al een aardige indruk krijgen van het uiteindelijke effect van je scenes.

DMX Links:

• Theater Technisch Lab Fabrikant van lichtsturing Amsterdam
• DMX512.com technische en praktische info
• DMX wikipedia
• Martin professioneel licht
• Antari rookmachines
• Theaterbelichting veel info, nederlandstalig
• RS 485 info
• DASLIGHT virtual light controller. Hier kun je de DVC software downloaden, waarmee je trouwens ook zonder de controller interface lichtshows kunt simuleren op je computer!
• USITT Amerikaanse theatertechniek organisatie, beheerders van het DMX protocol