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Electronique > Théorie > La norme DMX

Dernière mise à jour : 25/12/2011

Présentation

DMX = Digital MultipleX
Tout comme pour le MIDI, il existe à gauche et à droite des tas d'informations concernant la norme DMX, et encore une fois je n'ai pas pas la prétention d'en ajouter des masses. Disons que cette page est un petit résumé de ce que j'ai pu comprendre de la chose, ma petite contribution en français ;-) Comme vous le constaterez, mon texte n'est pas exhaustif mais devrait suffire pour démarrer d'un bon pied. Si l'aventure du DMX côté bricolage vous intéresse, sachez que vous ne devez pas vous en priver car il s'agit d'un système assez facile à mettre en oeuvre (il faut certes quelques connaissances en électronique), qui ne revient pas cher et qui est relativement robuste.

Brochage des prises DMX

Les connecteurs utilisés pour les liaisons DMX sont de simples XLR trois broches telles celles utilisées pour les liaisons audio professionnelles ou des XLR cinq broches, un peu moins répendues dans le domaine audio. La spécification précise qu'il faut utiliser un câble blindé à deux paires de conducteurs quand on utilise des prises XLR 5 points, la seconde paire est optionnelle quand on utilise des prises XLR 3 points.

Broche XLR	Fonction	Remarque
1	Référence (masse)	-
2	Data 1-	-
3	Data 1+	-
4	Data 2-	Non utilisé sur XLR 3 points
5	Data 2+	Non utilisé sur XLR 3 points

Remarques

En toute rigueur, la norme indique qu'il faut une prise 5 points, mais comme une XLR 5 points coûte plus cher qu'une XLR 3 points (car cette dernière est plus répendue), la plupart des constructeurs ne s'embêtent pas...
A la différence des liaisons audio, la ligne "positive / chaude" (Data 1+) est connectée sur la broche 3 et non sur la broche 2 de la XLR.
La broche de masse (pin 1 de la XLR) doit être raccordée des deux côtés de la liaison (dans le cas de liaisons BF avec interface sur transformateur, cela n'est pas obligatoire).
Certains contrôleurs DMX disposent d'un connecteur femelle 5 points pour mettre à disposition deux univers DMX (réseaux 512 canaux). La notion d'univers DMX sera vue plus loin.
L'émetteur possède une prise femelle et les récepteurs possèdent une prise mâle.
Les broches 4 et 5 de la XLR 5 points (Data 2- et Data 2+) étaient prévues à l'origine pour disposer d'une liaison de retour (équipement DMX contrôlé vers contrôleur DMX). Petite exception donc en ce qui concerne la notion "femelle pour émetteur et mâle pour récepteur".
Le câble utilisé pour constituer un réseau DMX doit posséder une impédance caractéristique de 110 ohms (idem câble pour signal audionumérique AES).
Un réseau DMX doit se terminer sur une impédance fixe (en pratique une simple résistance) qui se trouve soit dans le dernier equipement de la chaîne, soit ajoutée sous forme de "bouchon" ou "terminaison" (valeur typique 120 ohms). Bien que dans certains cas l'absence de cette terminaison ne soit pas synonyme de malfonctionnement, sa présence est très vivement conseillée (si ce n'est obligatoire) surtout si les longueurs de câble sont grandes et si le nombre d'appareils reliés sur le même réseau est grand. Il n'y a rien de plus facile que de réaliser ce genre de terminaison : il suffit de se procurer une prise XLR mâle et de câbler une résistance de 120 ohms / 0,5 W entre ses deux broches 2 et 3.
Le nombre maximum d'équipements que l'on peut connecter sur un même réseau DMX est supposé être de 32. Dans la pratique, ce nombre dépend de la longueur et de la qualité des câbles, des équipements utilisés et peut être revue à la baisse. La vitesse de transmission des données est en effet assez élevée (nous verrons plus loin qu'elle atteind 250 kbps) et l'usage de câble de qualité standard à vite fait de réduire les possibilités théoriques. Il faut noter que cette limitation à 32 équipements est d'ordre purement électrique, puisque d'un point de vue informatique on dispose de 256 canaux. Pour augmenter le nombre d'équipements sur un même réseau DMX et surpasser cette limite de 32 appareils, on peut utiliser des répartiteurs (distributeurs, splitters) DMX.
Il existe des "booster" DMX, qui permettent de régénérer un signal DMX et de permettre des liaisons de plus grande longueur. Attention, un booster n'est pas un splitter (voir ci-après).
Il existe des répartiteurs (distributeurs, splitters) de ligne DMX disposant d'une entrée et de deux sorties ou plus. Les entrées et sorties peuvent se faire en XLR 3 broches, en XLR 5 broches, parfois les deux types de connecteurs sont disponibles en même temps. Ce type d'appareil est obligatoirement actif (il comporte des composants électroniques et ne repose pas sur une simple mise en parallèle des câbles sur les prises) et nécessite une alimentation. Un répartiteur peut être utilisé en temps que booster.
La longueur maximale d'une liaison DMX est supposée être de 300 mètres. En pratique, cela dépend beaucoup de l'électronique utilisée dans le contrôleur DMX, de la qualité des câbles et du nombres d'équipements câblés sur le réseau.
Il existe des adaptateurs XLR mâle 5 broches / XLR femelle 3 broches ainsi ques des adaptateurs XLR femelle 5 broches / XLR mâle 3 broches. Soit sous forme de bloc compact et court, soit sous forme de câble (50 cm à 1,5 m par exemple). Le prix d'un tel adaptateur peut varier de 2 euros environ pour un modèle d'entrée de gamme à 20 euros environ si la connectique est de marque Neutrik (réputée pour sa robustesse).
Il existe des "merger" DMX au même titre qu'il existe des merger MIDI. Un merger DMX permet de mélanger (combiner) de façon intelligente les données issues de deux contrôleurs DMX et de mettre le tout à disposition sur une seule sortie DMX, pour envoyer le tout sur un seul réseau. Un tel équipement est basé sur l'emploi d'un microcontrôleur, on ne peut pas assurer la fonction de "mélange" de signaux informatiques avec deux résistances comme on peut le faire avec des signaux audio analogiques...

Principe général des liaisons DMX

Une liaison DMX est une liaison de type série : on y transmet des informations binaires - informatiques - sur deux fils selon le principe d'une liaison "symétrique" en boucle de courant. Une telle liaison se compose d'un seul émetteur et de un ou plusieurs récepteurs. D'un point de vue électronique, et du fait que le PIC travaille plutôt en logique TTL (0 V pour état logique bas et +5 V pour état logique haut), il est nécessaire d'ajouter un composant d'adaptation électrique qui assure l'interfaçage de TTL vers boucle de courant et inversement. Un seul composant est nécessaire pour travailler dans les deux sens émission et réception, vous avez le choix entre plusieurs modèles de convertisseurs mais que diriez-vous d'un MAX487 ou d'un SN75179 ? Voilà pour l'aspect électrique. D'un point de vue "logiciel", la liaison DMX permet de transmettre 512 valeurs différentes, chacune étant véhiculée de façon séquentielle (les unes après les autres) sur un canal distinct reconnu par son numéro. L'appellation "DMX512" semble n'être pas née du hasard. A la base, une liaison DMX est conçue pour piloter des gradateurs de lumière (dimmer en anglais) avec une valeur de contrôle de niveau de luminosité codée sur 8 bits et pouvant donc varier entre 0 et 255. La valeur zéro correspond à un taux de luminosité nul (lampe éteinte), la valeur 127 correspond à un taux de luminosité de 50% et la valeur 255 correspond à un taux de luminosité maximal (plein feux). Mais dans la pratique courante les équipements de type "jeux de lumière" pilotés par une interface DMX ne se cantonnent pas aux gradateurs de lumière. Il peut tout aussi bien s'agir de stroboscopes, de scanners, de machines à fumée, de lasers ou autres types de jeux de lumière. Dans la majorité des cas, les récepteurs disposent d'un système de configuration physique (micro-interrupteurs par exemple) qui permet de spécifier le numéro de canal.

Petit rappel historique

Il fut une époque où le réglage du taux de luminosité des lampes sur scène théâtre était assuré par un auto-transformateur. Ce type d'appareillage était lourd et encombrant, et surtout nécessitait des câbles de forte section pour faire la liaison entre variateur et lampe (il y avait des ampères à faire passer). Et il fallait un couple variateur + câblage pour chaque lampe. Par la suite sont apparus des systèmes plus élaborés où la commande était déportée et où la section électronique de puissance était disposée au plus proche des lampes commandées. Il n'y avait plus besoin de gros câbles pour la commande mais cette dernière qui se faisait avec une tension analogique (0 à 10 V) était assez sujette aux parasites, et il fallait toujours un câble de commande pour chaque lampe pilotée. L'arrivée du DMX a résolu pas mal de problèmes en même temps :

très bonne imunité aux parasites;
meilleur contrôle sur la linéarité de réglage du taux de luminosité, quelque soit le type de lampe utilisé;
un seul cable de commande partant de la console de pilotage, pour un maximum de 512 canaux individuels.

Le protocole DMX512 n'est pas si vieux que ça puisque sa validation eut lieu en 1986. Il a permi à différents constructeurs de se mettre d'accord sur une norme commune et de rendre ainsi inter-opérants leurs appareils. Quatre ans plus tard fut définie la norme évoluée DMX512-A, dont vous pouvez vous procurer les spécifications techniques... à condition de sortir le porte-monnaie.

Protocole d'envoi des données

Les données transitant sur une liaison DMX doivent répondre à un protocole bien défini et assez strict, dont les grandes lignes théoriques sont les suivantes.

La vitesse de transmission normalisée d'une liaison DMX est de 250 kbps (250 kilo-bauds), chaque bit constituant la trame de données possède donc une largeur (durée) de 1 seconde divisée par 250000, soit 4 us.
Au repos - c'est à dire en absence de transmission de données, la ligne de transmission DMX est à l'état logique haut.
Une trame DMX est constituée d'un certain nombre de bits, ces derniers constituant d'une part des informations indiquant quand commence ou quand s'arrête la trame, et d'autre part les valeurs à transmettre pour l'ensemble des canaux 1 à 256. Le détail des bits constituant ces informations sera donné plus loin.
Il n'est pas possible d'adresser directement un équipement DMX avec un numéro de canal autre que 1 sans au préalable avoir transmis les données du ou des canaux précédents. Par exemple si on veut envoyer la valeur 78 à un gradateur de lumière positionné sur le canal 12, la trame DMX doit contenir les valeurs des canaux 1 à 11 même si ces dernières ne sont pas exploitées (dans ce cas les valeurs des canaux 1 à 11 peuvent être quelconques).
Une trame DMX complète peut avoir une longueur de durée variable. Les informations (valeurs) liées aux 512 canaux n'ont pas besoin d'être transmises en totalité si toutes ne sont pas requises. Par exemple, on peut ne vouloir envoyer des informations de valeurs que pour les 45 premiers canaux (canaux 1 à 45) et ignorer les suivants (canaux 46 à 255). Notez que cela ne concerne que les numéros de canaux situés après le dernier dont on a besoin, les valeurs des canaux précédents doivent impérativement être transmis.
Une trame DMX débute par un signal appelé "Break", électriquement matérialisé par le passage à l'état logique bas de la ligne de transmission. Cet état bas doit durer au minimum 88 us (équivalent 22 bits), cette durée de 88 us est équivalente à deux élements de base de la trame sans aucun bit Stop, chaque élement de base durant 44 us (détails plus loin). En fait, la norme indique que le signal Break devrait durer au moins 92 us et qu'une valeur standard est de 176 us.
A la suite du signal Break est transmis un signal appelé "Mark After Break" (marque après coupure) qui consiste en un état logique haut de longueur minimale 8 us (durée 2 bits) et de durée maximale 1 seconde. Le fait que le signal Mark After Break ne peut durer plus de 1 seconde implique que chaque trame DMX doit être envoyée au moins une fois par seconde.
Après le signal Mark After Break est transmis un élement de base appelé "Start Code" (démarrage) qui consiste en un message similaire aux élements indiquant la valeur de chaque canal, mais où les huit bits de données sont positionnés à 0. Sa durée est de 44 us, tout comme la durée des élements de base décrits ci-après.
Un élement de base permet de transmettre la valeur d'un canal et est construite selon le mode "1 bit Start (4 us) + 8 bits Données (32 us) + 2 bits Stop (8 us)". Un bit Start est électriquement matérialisé par le passage à l'état logique bas de la ligne de transmission pendant une durée de 4 us, et il en est de même pour le bit Stop. Chaque bit durant 4 us, un élement de base dure bien 44 us. On peut trouver dans la trame DMX un nombre d'élements de base qui peut varier entre 1 et 512 puisqu'il n'y a aucune obligation de transmettre 512 valeurs d'affilé. Mais rappelons que le premier élement de base correspond toujours au canal #1, que le second élement de base correspond toujours au canal #2, etc.
La trame DMX est considérée comme arrivant à terme quand l'état logique de la ligne de transmission retourne à l'état logique haut et y reste pendant une certaine durée.

Si la trame DMX comporte la valeur d'un seul canal, alors sa durée totale est de 88 us (break) + 8 us (MAB) + 44 us (SC) + 1 * 44 us (Data) = 184 us (sans compter le temps pendant lequel la ligne repasse à l'état logique haut pour indiquer sa fin). Si la trame DMX comporte la valeur des 512 canaux, alors sa durée totale est de 88 us (break) + 8 us (MAB) + 44 us (SC) + 512 * 44 us (Data) = 22668 us. Sachant cela, on peut en déduire qu'il est possible d'envoyer jusqu'à 44 trames complètes (512 canaux) en une seconde.

Univers DMX

Une liaison DMX permet d'envoyer 512 informations (valeurs) différentes via 512 canaux. Si on désire en envoyer plus, il faut disposer de plusieurs liaisons DMX séparées. Ainsi la commande de 1024 valeurs différentes est possible avec deux liaisons DMX distinctes (2 x 512 canaux). Les consoles DMX et les logiciels DMX qui accèptent de travailler avec plus de 512 canaux travaillent sur le principe d'univers (universes en anglais). Un univers permet de gérer 512 canaux. Quand plusieurs univers (plusieurs liaisons DMX) sont mises à contribution, les numéros de canaux sont "décallés" à partir de la seconde liaison, selon tableau suivant.

Univers / liaison DMX	Canaux
Univers 1 (liaison DMX #1)	1..512
Univers 2 (liaison DMX #2)	513..1024
Univers 3 (liaison DMX #3)	1025..1536
Univers 4 (liaison DMX #4)	1537..2048
Univers 5 (liaison DMX #5)	2049..2560
Univers 6 (liaison DMX #6)	2561..3072

Il n'existe pas réellement de limite au nombre de liaisons DMX qu'on peut utiliser en même temps, mais reconnaissons que piloter 3000 éléments commence à faire... Dans un domaine amateur, les 512 canaux de base sont généralement bien suffisants. Dans le monde professionnel il en va différement car on ne pense pas forcement "quantité" mais "souplesse d'installation et d'utilisation".

Utilisation d'un PIC pour gérer des messages DMX

On peut lire des choses rigolotes sur le Net, qui peuvent parfois nous embrouiller quelque peu l'esprit. D'un côté untel affirme qu'il est impossible ou très difficile d'établir une liaison DMX avec un PIC tournant à 20 MHz, et de l'autre on trouve des schémas de décodeurs ou contrôleurs DMX basés sur un PIC 16F84 cadencé à 4 MHz ! Pour ma part et dans l'état actuel de mes connaissances, il me semble plus facile de produire des trames DMX que d'en décoder avec des ressources processeur limitées.

UART matériel vs UART logiciel

Une chose est sûre, il est plus prudent et bien plus efficace d'utiliser le module UART matériel d'un PIC bien constitué plutôt que d'essayer d'émuler de façon purement logicielle le protocole DMX. Ce n'est pas impossible puisque plusieurs l'ont fait, mais les choses sont bien plus souples à mettre en place quand on décharge le programme principal de la notion critique de vitesse de transmission des données. Laissons donc faire ces petits modules matériels (UART) qui finalement ont été créés spécifiquement pour cette tâche. A partir de là, l'écriture de programmes destinés à décoder ou générer des infos DMX n'est pas si compliqué que ça. Il faut bien sûr avoir assimilé la structure des trames, mais si vous avez lu ce qui précède vous vous êtes rendu compte qu'il n'y avait vraiment rien de compliqué. D'un point de vue pratique, la détection du signal Break peut se faire en analysant les codes d'erreurs retournés par le module UART du PIC. Ce dernier indique en effet une erreur de transmission quand plusieurs bits de données sont réceptionnés sans être suivi des bits Stop, ce qui est justement le cas du signal Break. Comme ce signal Break dure au moins 88 us (équivalent rappelons-le à deux éléments de bases de 44 us), il suffit de compter les erreurs, on doit en avoir deux d'affilé dans le cas présent.

Limitation du nombre de canaux pilotables

Si vous souhaitez pouvoir attribuer une valeur pour les 512 canaux prévus dans la norme DMX512, le PIC doit disposer d'une quantité de mémoire suffisante. Une valeur de 1 KO est un minimum, si vous choisissez un PIC disposant d'une taille mémoire inférieure vous ne pourrez pas aussi facilement travailler avec 512 canaux, à moins bien sûr de faire usage d'une mémoire EEProm externe ou autre artifice. A première vue un PIC 16F628A peut suffire pour commencer à travailler sérieusement sur du DMX, même si le 16F648A peut être privilégié (deux fois plus de mémoire et pas forcement plus coûteux). Gardez en mémoire que s'il n'est pas nécessaire de transmettre la valeur des 512 canaux, autant ne pas le faire car ainsi chaque trame dure moins longtemps, ce qui permet un meilleur temps de réponse de la part des équipements reliés sur le bus (la chaîne) DMX. Beaucoup de projets amateur n'ont pas besoin des 512 canaux.

Choix du PIC

Hormis l'aspect UART matériel qui doit être implémenté dans le PIC et l'aspect quantité de mémoire, on peut se poser la question de savoir quelle famille de PIC est conseillée. Microchip (le fabricant des PIC) conseille l'usage d'un PIC de la famille 18Fxxx, par exemple le 18F24J10. C'est en tout cas ce modèle qui est suggéré dans la note d'application AN1076 du même fabricant. Mais rien ne vous empêche d'utiliser un PIC de la famille 16Fxxx, comme l'ont fait des dizaines de bricoleurs très content de leurs résultats. Hum... juste entre parenthèses : on peut trouver un PIC 18F24J10 à 1,70 euro. Je dis ça juste comme ça...

Structure générale du code logiciel pour émission de trames DMX

Si vous avez bien assimilé comment était constituée une trame DMX, alors vous comprendrez sans problème que le logiciel de création de trames peut se contenter de répéter en boucle les quatres instructions suivantes :

DMX_Tx_MBB : repos pendant 100 us, état logique bas (0) au niveau logiciel, ligne à l'état logique haut (1) au niveau matériel.
DMX_Tx_Break : break pendant 100 us, état logique haut (1) au niveau logiciel, ligne à l'état logique bas (0) au niveau matériel.
DMX_Tx_MAB : pendant une durée arbitraire de 100 us (valeur requise entre 8 et 1000 us), état logique bas (0) au niveau logiciel, ligne à l'état logique haut (1) au niveau matériel.
DMX_Tx_Data : envoi de la valeur de chaque canal, avec intervalle de temps arbitraire de 50 us entre chaque octet.

MBB = Mark Before Break, période de repos
Break = comme son nom l'indique...
MAB = Mark After Break
Data = valeur de l'ensemble des canaux

Remarques

Le fait d'utiliser des durées arbitraires de 50 us et 100 us permet de rester dans les contraintes de la norme et simplifie l'usage du Timer0 du PIC réglé pour une période d'interruption de 50 us.
Le fait de devoir envoyer deux bits Stop et non un seul impose d'utiliser le module UART du PIC en mode "9 bits" et non en mode "8 bits". Le bit N°9 de donnée représente alors le premier bit Stop et est toujours positionné à 1.
Oh je ne vous l'avais pas encore dit ? Un état logique bas (0) au niveau logiciel se traduit par un état logique haut (1) au niveau matériel. Bien plus simple pour s'y retrouver !!!

Exemples pratiques ?

On trouve pas mal de choses sur le net, mais si on obtient facilement des fichiers binaires compilés, il n'en est pas vraiment de même pour les codes sources. Aussi ai-je pensé qu'il pourrait être intéressant de mettre en ligne un petit exemple avec PIC 16F88 et PIC 18F24J10 avec code source en MikroPascal...

Contrôleur 5 canaux avec 16F88

Contrôleur 1 canal avec 18F24J10

Pour vérifier le bon fonctionnement de ces contrôleurs DMX, je me suis offert un petit projecteur PAR36 LED. Pour l'heure, seul le premier (avec PIC 16F88) est terminé, testé et fonctionnel. Celui avec 18F24J10 n'est pas fini.