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# 位相制御調光制御設計

Last updated at 2026-01-13Posted at 2026-01-12

STM32 BluePillで作る10ch DMX位相制御調光器【完全解説】

はじめに

STM32F103C8（BluePill）を使用した10チャンネル DMX512 位相制御調光器の設計・実装について解説します。舞台照明、TV/放送スタジオ、建築照明など幅広い用途に対応できる本格的な調光器です。

本記事で扱う内容

ハードウェア構成とピンアサイン
4種類の調光カーブ（リニア/S字/TVガンマ/Bカーブ）
Bカーブ（実効値リニア補正）の数学的導出
2相AC電源対応（4+6チャンネル分離）
10ビットスムージング処理
温度保護機能

主な特徴

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    システム構成図                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   DMX512入力     STM32F103C8      トライアック      AC負荷       │
│   ┌─────┐       ┌──────────┐      ┌──────────┐    ┌──────────┐  │
│   │XLR5 │──────→│ BluePill │─────→│ SSR/     │───→│ ハロゲン │  │
│   │     │       │          │      │ トライアック│    │ LED     │  │
│   └─────┘       │  10ch    │      │  10ch    │    │ 白熱灯   │  │
│                 │  PWM出力  │      │          │    └──────────┘  │
│   AC同期        │          │      └──────────┘                   │
│   ┌─────┐       │          │                                     │
│   │ゼロ │──────→│          │                                     │
│   │クロス│       └──────────┘                                     │
│   └─────┘                                                        │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

1. ハードウェア構成

1.1 BluePill ピンアサイン

                    ┌─────────────────┐
                    │    STM32F103C8  │
                    │    BluePill     │
            ┌───────┤                 ├───────┐
      3.3V ─┤ 3V3   │                 │   GND ├─ GND
     RESET ─┤ RST   │                 │   GND ├─ GND
      5V  ──┤ 5V    │                 │  3.3V ├─ 3.3V
  AC同期1 ──┤ PA0   │                 │   PB9 ├── SW1(DIP bit0)
  AC同期2 ──┤ PA1   │                 │   PB8 ├── CH8 PWM
  温度入力 ─┤ PA2   │                 │   PB7 ├── CH10 PWM
  DMX RX ───┤ PA3   │                 │   PB6 ├── CH9 PWM
  SW3 ──────┤ PA4   │                 │   PB5 ├── SW6
  SW4 ──────┤ PA5   │                 │   PB4 ├── SW5
  CH1 PWM ──┤ PA6   │                 │   PB3 ├── (SWO)
  CH2 PWM ──┤ PA7   │                 │  PA15 ├── SW2
  CH5 PWM ──┤ PA8   │                 │  PA14 ├── (SWCLK)
  CH6 PWM ──┤ PA9   │                 │  PA13 ├── (SWDIO)
  CH7 PWM ──┤ PA10  │                 │  PA12 ├── (USB D+)
            │       │                 │  PA11 ├── (USB D-)
  CH3 PWM ──┤ PB0   │     ┌───┐      │  PB15 ├── SW10
  CH4 PWM ──┤ PB1   │     │USB│      │  PB14 ├── SW9
  SW7 ──────┤ PB12  │     └───┘      │  PB13 ├── SW8
            │       │     [LED]       │  PB11 ├── I2C SDA
            │       │      PC13       │  PB10 ├── I2C SCL
            └───────┤  LED  TMP  R_LED├───────┘
                    └─────────────────┘

1.2 PWM出力ピン配置

チャンネル	ピン	タイマー	系列
CH1	PA6	TIM3_CH1	系列1
CH2	PA7	TIM3_CH2	系列1
CH3	PB0	TIM3_CH3	系列1
CH4	PB1	TIM3_CH4	系列1
CH5	PA8	TIM1_CH1	系列2
CH6	PA9	TIM1_CH2	系列2
CH7	PA10	TIM1_CH3	系列2
CH8	PB8	TIM4_CH3	系列2
CH9	PB6	TIM4_CH1	系列2
CH10	PB7	TIM4_CH2	系列2

1.3 入力ピン

機能	ピン	説明
AC同期1	PA0	ゼロクロス検出（系列1）EXTI0
AC同期2	PA1	ゼロクロス検出（系列2）EXTI1
DMX RX	PA3	USART2 RX（DMX512入力）
温度入力	PA2	サーモスタット接点（プルアップ）

2. 調光カーブ

2.1 5種類のカーブ

値	カーブ名	数式	DMX128→PWM	推奨用途
0	Linear	RMS補正	378	テスター基準、測定用
1	Upper	Linear +オフセット	406	低域明るめ、舞台
2	Lower	Linear -オフセット	360	低域暗め、微光重視
3	S字カーブ	$3x^2 - 2x^3$	514	ハロゲン、滑らかな変化
4	TVガンマ	$x^{2.2}$ (γ2.2)	224	放送、カメラ撮影

Linearベースの3カーブ体制（2026/1/13）：

0:Linear - テスターで直線（RMS実効値がDMXに正比例）
1:Upper - 低域でLinearより明るい（DMX26で+68）
2:Lower - 低域でLinearより暗い（DMX26で-43）

2.2 カーブ比較グラフ

グラフの見方：

Full Range: 全域（DMX 0-255）の出力特性、5カーブすべて表示
Low Range (0-50): 低レベル域の立ち上がり比較（リニアも理想直線との差が見える）
Mid Range (100-180): 中間域の変化、DMX 128付近に注目
High Range (200-255): 高レベル域の飽和特性

注意: リニアカーブも DMX 255 で PWM=1023 にクリップしているため、DMX 254付近でわずかに非直線となります。

2.3 カーブ特性詳細

PWM出力
1023 ┤                                            ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ 0:Linear
     │                                    ▓▓▓▓▓▓▓▓█████████████████ 1:BCurve
 800 ┤                            ▓▓▓▓▓▓▓▓████████
     │                    ▓▓▓▓▓▓▓▓████████ ........ 2:BCurve×0.75
 600 ┤            ▓▓▓▓▓▓▓▓████████........
     │    ▓▓▓▓▓▓▓▓████████........         ------- 3:S-Curve
 400 ┤▓▓▓▓████████........-------
     │████........-------            ＿＿＿＿＿＿＿ 4:TV Gamma(暗)
 200 ┤....-------＿＿＿＿＿
     │---＿＿＿＿
   0 ┼──────────────────────────────────────────────────────────────→ DMX
     0      32      64      96     128     160     192     224    255

各カーブの特徴:

0:Linear（▓）: RMS補正済み。テスターで直線表示
1:Upper（█）: 低域明るめ。Linearより+オフセット
2:Lower（.）: 低域暗め。Linearより-オフセット
3:S-Curve（-）: 中間域が滑らか。ハロゲン向け
4:TV Gamma（＿）: 低レベル最暗。TV/放送カメラ用

2.4 カーブ選択フローチャート

                       開始
                         │
                         ▼
                ┌────────────────┐
                │ 負荷・用途は？  │
                └───────┬────────┘
                        │
      ┌────────┬────────┼────────┬────────┐
      ▼        ▼        ▼        ▼        ▼
   ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐
   │ LED │ │ 舞台 │ │ 汎用 │ │ハロゲン│ │TV/放送│
   └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘
      │        │        │        │        │
      ▼        ▼        ▼        ▼        ▼
  ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐
  │Linear│ │Upper │ │Lower │ │S-Curve│ │TV    │
  │ (0)  │ │ (1)  │ │ (2)  │ │ (3)  │ │Gamma │
  │基準  │ │明るめ│ │暗め  │ │滑らか│ │ (4)  │
  └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘

2.5 各カーブの数学的背景

Linear（RMS補正）

位相制御の非線形性を補正し、テスターで直線になるカーブ：

$$V_{rms} = V_{max} \sqrt{\frac{\pi - \theta + \frac{\sin(2\theta)}{2}}{\pi}}$$

目標実効値から位相角θを逆算し、PWM値に変換。

Upper/Lower（オフセット）

Linearを基準に±オフセットを加算：

Upper: $PWM = Linear + offset \times (1-x)^{1.5}$
Lower: $PWM = Linear - offset \times (1-x)^{1.5}$

低域でオフセット最大、高域で収束。

S字カーブ（3次補間）

Hermite補間による滑らかなS字特性：

$$PWM = 1023 \times (3x^2 - 2x^3), \quad x = \frac{DMX}{255}$$

TVガンマ（γ2.2）

放送規格のガンマ補正：

$$PWM = 1023 \times \left(\frac{DMX}{255}\right)^{2.2}$$

3. Linearカーブ（RMS実効値補正）の数学的導出

3.1 課題：位相制御の非線形性

位相制御では、正弦波の一部をカットして出力を制御します。しかし、位相角と実効値の関係は非線形です。

    電圧
     ↑
  Vmax ┤    ╭──╮        ╭──╮
       │   ╱    ╲      ╱    ╲
       │  ╱      ╲    ╱      ╲
     0 ├─╱────────╲──╱────────╲──→ 時間
       │ ████      ╲╱
       │ ↑カット部分

単純にPWM値を線形にすると：

低レベル域: 実効値が急激に変化（敏感すぎる）
高レベル域: 実効値がほとんど変化しない（鈍い）

3.2 位相制御の実効値公式

位相角 $\theta$ （0〜π）で点弧する場合の実効値比：

$$V_{rms} = V_{max} \sqrt{\frac{\pi - \theta + \frac{\sin(2\theta)}{2}}{\pi}}$$

3.3 逆算アルゴリズム

目標実効値比 $R_{target} = \frac{DMX}{255}$ に対して、必要な位相角 $\theta$ を二分探索で求め、PWM値に変換：

$$PWM = 1023 \times \frac{\pi - \theta}{\pi}$$

3.4 Python実装

import math

def calc_rms_ratio(theta):
    """位相角θでの実効値比を計算"""
    if theta >= math.pi:
        return 0
    if theta <= 0:
        return 1
    return math.sqrt((math.pi - theta + math.sin(2*theta)/2) / math.pi)

def find_theta_for_rms(target_rms):
    """目標実効値比に対する位相角を二分探索で求める"""
    if target_rms >= 1:
        return 0
    if target_rms <= 0:
        return math.pi
    
    low, high = 0, math.pi
    for _ in range(50):
        mid = (low + high) / 2
        rms = calc_rms_ratio(mid)
        if rms > target_rms:
            low = mid
        else:
            high = mid
    return (low + high) / 2

# Linearカーブテーブル生成
print("const uint16_t Dim_Linear[] = {")
for dmx in range(256):
    target_rms = dmx / 255.0
    theta = find_theta_for_rms(target_rms)
    pwm = int(round(1023 * (math.pi - theta) / math.pi))
    print(f"{pwm:4d},", end="" if (dmx+1) % 16 else "\n")
print("};")

3.5 目標テーブル（テスターリニア）

DMX値に対してAC実効値が正比例（直線）になる理想PWM値：

DMX値	PWM値	理論AC実効値	備考
0	0	0V	OFF
26	120	10V	10%
51	191	20V	20%
76	254	30V	30%
102	316	40V	40%
128	377	50V	50%
153	439	60V	60%
178	505	70V	70%
204	584	80V	80%
230	688	90V	90%
255	1023	100V	FULL

この表が0:Linearカーブの目標です。

3.6 実装値テーブル

DMX値	PWM値	理論AC実効値	備考
0	0	0V	OFF
26	121	10V	10%
51	192	20V	20%
76	254	30V	30%
102	316	40V	40%
128	378	50V	50%
153	439	60V	60%
178	505	70V	70%
204	585	80V	80%
230	688	90V	90%
255	1023	100V	FULL

3.7 単純PWM vs Linearカーブ比較

実効値(V)
 100 ┤                                              ████████████████ Linearカーブ
     │                                      ████████                  （直線）
  80 ┤                              ████████
     │                      ████████
  60 ┤              ████████........................ 単純PWM
     │      ████████               ．．．．．．．   （非線形）
  40 ┤██████           ．．．．．．．
     │     ．．．．．．．
  20 ┤．．．．
     │．
   0 ┼──────────────────────────────────────────────────────────────→ DMX
     0      32      64      96     128     160     192     224    255

4. 2相AC電源対応（4+6構成）

4.1 なぜ2相対応が必要か

3相電源（R-S-T）を使用する場合、各相の位相が120°ずれています。単一のゼロクロスで全チャンネルを同期すると、他の相では位相がずれて正しく制御できません。

4.2 タイマー構成と制約

STM32のタイマーは「タイマー単位」でしかリセットできないため、チャンネル分割に制約があります。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    タイマー別チャンネル配置                      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   TIM3 (4ch)              TIM1 (3ch)             TIM4 (3ch)      │
│   ┌──────────┐           ┌──────────┐           ┌──────────┐    │
│   │ CH1: PA6 │──CH1      │ CH1: PA8 │──CH5      │ CH1: PB6 │──CH9│
│   │ CH2: PA7 │──CH2      │ CH2: PA9 │──CH6      │ CH2: PB7 │──CH10│
│   │ CH3: PB0 │──CH3      │ CH3: PA10│──CH7      │ CH3: PB8 │──CH8│
│   │ CH4: PB1 │──CH4      │ CH4: 未使用│          │ CH4: 未使用│   │
│   └──────────┘           └──────────┘           └──────────┘    │
│        ↓                      ↓                      ↓          │
│     系列1                  系列2                  系列2          │
│     (4ch)                  (3ch)                  (3ch)          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.3 分割パターン比較

分割案	可否	理由
5+5	⚠️	TIM1がまたがる（CH5=系列1, CH6-7=系列2）。CH5が不安定
4+6	✅	TIM3=系列1、TIM1+TIM4=系列2。タイマー境界で分離可能
6+4	❌	TIM1を分割できない
3+7	❌	TIM3を分割する必要があり不可

4.4 4+6構成の実装

┌────────────────────────────────────────────────┐
│  4+6 構成（現行実装）                          │
├────────────────────────────────────────────────┤
│  系列1: TIM3 (4ch)        = CH1-4    ✅       │
│  系列2: TIM1 (3ch) + TIM4 (3ch) = CH5-10 ✅  │
├────────────────────────────────────────────────┤
│  EXTI0 (PA0) → TIM3リセット                    │
│  EXTI1 (PA1) → TIM1+TIM4リセット               │
│  タイマー境界で完全分離                        │
└────────────────────────────────────────────────┘

4.5 割り込みハンドラ

// EXTI0: 系列1 AC同期（4ch: TIM3のみ）
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    
    if(cou0 > 50) {
        cou0 = 0;
        
        // 系列1: TIM3 (CH1-4)
        TIM_SetCompare1(TIM3, TmD[1]);
        TIM_SetCompare2(TIM3, TmD[2]);
        TIM_SetCompare3(TIM3, TmD[3]);
        TIM_SetCompare4(TIM3, TmD[4]);
        TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
        
        #if (DUAL_AC_SYNC == 0)
        // 単相モード：系列2も同時にリセット
        TIM_SetCompare1(TIM1, TmD[5]);
        TIM_SetCompare2(TIM1, TmD[6]);
        TIM_SetCompare3(TIM1, TmD[7]);
        TIM_SetCompare3(TIM4, TmD[8]);
        TIM_SetCompare1(TIM4, TmD[9]);
        TIM_SetCompare2(TIM4, TmD[10]);
        TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
        TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
        #endif
    }
}

// EXTI1: 系列2 AC同期（6ch: TIM1+TIM4）
void EXTI1_IRQHandler(void) {
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
    
    #if (DUAL_AC_SYNC == 1)
    if(cou1 > 50) {
        cou1 = 0;
        
        // 系列2: TIM1 (CH5-7) + TIM4 (CH8-10)
        TIM_SetCompare1(TIM1, TmD[5]);
        TIM_SetCompare2(TIM1, TmD[6]);
        TIM_SetCompare3(TIM1, TmD[7]);
        TIM_SetCompare3(TIM4, TmD[8]);
        TIM_SetCompare1(TIM4, TmD[9]);
        TIM_SetCompare2(TIM4, TmD[10]);
        TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
        TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
    }
    #endif
}

5. 10ビットスムージング処理

5.1 なぜ10ビット分解能か

DMX512は8ビット（256段階）ですが、内部処理を10ビット（1024段階）に拡張しています。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    8bit vs 10bit 比較                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│  【8ビット処理の問題】                                           │
│   - 分解能: 256段階                                              │
│   - 最小変化: 0.39%                                              │
│   - フェードがカクカク                                           │
│   - 低輝度で段差が目立つ                                         │
│                                                                  │
│  【10ビット処理のメリット】                                      │
│   - 分解能: 1024段階（4倍）                                      │
│   - 最小変化: 0.098%                                             │
│   - フェードが滑らか                                             │
│   - 低輝度でも自然な表現                                         │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.2 データフロー

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    完全なデータフロー                            │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   DMX受信        温度制限        カーブ変換        目標値設定    │
│   Rx2D[]    →   Tdata制限  →   DimCurve[]   →   RmD[i]        │
│   (8bit)        (8bit)         (8→10bit)        (10bit)        │
│                                                                  │
│   目標値         フェード処理      PWM出力                       │
│   RmD[i]    →   inc_dec()   →   TmD[i]     →   TIMx_CHx       │
│   (10bit)       TmD++/--        (10bit)        (10bit)          │
│               【スムージング】                                   │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.3 inc_dec() スムージング関数

void inc_dec(void) {
    int i;
    for(i = 1; i <= 10; i++) {
        if(TmD[i] > RmD[i]) {
            TmD[i]--;       // 目標より大きい → 1減らす
        } else if(TmD[i] < RmD[i]) {
            TmD[i]++;       // 目標より小さい → 1増やす
        }
    }
    Set_TIM_d();
}

動作原理：1次ローパスフィルタ（積分器）として機能し、急激な変化を滑らかな変化に変換します。

6. 温度保護機能

6.1 システム構成

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    温度保護システム                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   サーモスタット           STM32F103C8                           │
│   ┌─────────────┐         ┌──────────────────────────────┐      │
│   │  (常開接点)  │         │  PA2 ← 温度接点入力         │      │
│   │  高温でCLOSE │─────────→│       ↓                     │      │
│   └─────────────┘         │  温度判定 → 出力制限        │      │
│                           │       ↓                     │      │
│   状態LED                 │  PC14 → LED点滅表示         │      │
│   ┌─────────────┐         │                              │      │
│   │  高温時点滅  │←────────│  PWM出力 CH1-CH10 制限      │      │
│   └─────────────┘         └──────────────────────────────┘      │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

6.2 config.h 設定

#define T_DEC    200    // 減光速度（数値小=速い）
#define T_INC    0      // 増光速度（0=電源再投入まで復帰しない）
#define T_MIN    127    // 最小輝度（0-255, 127=50%）

6.3 LED点滅パターン

状態	LED動作	意味
常温	消灯	正常動作
高温検出	高速点滅	減光中
減光完了	低速点滅	出力制限中

7. 設定リファレンス（config.h）

7.1 基本設定

// AC周波数
#define AC_HZ_DEFAULT       50      // 50Hz(東日本) or 60Hz(西日本)

// フェードスピード
#define Fspeed              5       // 0=即時, 1=最速, 5=標準, 50=超スロー

// 2相モード
#define DUAL_AC_SYNC        1       // 0=単相, 1=2相(4+6)

// 調光カーブ（Linearベース）
#define CURVE_DEFAULT_1     0       // 系列1: Linear（テスター基準）
#define CURVE_DEFAULT_2     0       // 系列2: Linear
// カーブ番号: 0=Linear, 1=Upper, 2=Lower, 3=S-Curve, 4=TV Gamma

// PWM校正
#define PWM_OFFSET          0       // オフセット（最小出力調整）
#define PWM_GAIN            250     // ゲイン（255=1.0倍、250=約0.98倍）

// DMXオフセット
#define CH2_OFFSET          4       // 系列2 = 系列1アドレス + 4

7.2 パッチ設定

// チャンネルパッチ（DMXアドレス割り当て）
const uint16_t Ch[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};  // ストレート

// 出力モード（0=調光, 1-254=スイッチ閾値）
const uint8_t Sw[] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};    // 全調光

8. まとめ

構成まとめ

項目	仕様
MCU	STM32F103C8 (BluePill)
チャンネル数	10ch（4+6構成で2相対応）
入力	DMX512 (USART2)
内部分解能	10ビット (1024段階)
カーブ	5種類（リニア/BCurve/BCurve×0.75/S-Curve/TV Gamma）
AC同期	2系列独立（EXTI0/EXTI1）
保護機能	温度センサー接点入力

用途別推奨設定

用途	カーブ	DUAL_AC_SYNC
テスター測定・基準	Linear(0)	0
舞台照明（低域明るめ）	Upper(1)	0
舞台照明（低域暗め）	Lower(2)	0
舞台照明（ハロゲン）	S-Curve(3)	0
TV/放送スタジオ	TV Gamma(4)	0
3相電源（2相使用）	任意	1

参考リンク

作成日: 2026年1月12日
更新日: 2026年1月13日（5種カーブ対応、グラフ追加）
プロジェクト: 103AC10 DMX位相制御調光器
ライセンス: MIT