《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DALI 2.0智能照明主控器的研究與實現(xiàn)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
蔡炳利1,，潘永雄1，胡敏強2
1.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,，廣東 廣州510006,；2.明緯(廣州)電子有限公司,，廣東 廣州510660
摘要： 為了確保數(shù)字可尋址調(diào)光接口(Digital Addressable Lighting Interface，DALI)系統(tǒng)的兼容性,，進一步提升智能化照明控制效果,，系統(tǒng)地研究了DALI 2.0標準的接口線路及協(xié)議。設(shè)計了內(nèi)置總線電源及接口電路的DALI 2.0主控器,，并設(shè)計了配套的PC上位機軟件,。提升了主控器的自主運行能力，使主控器成為照明系統(tǒng)的“大腦”,。實施了包含主控器,、照度傳感器及LED驅(qū)動裝置的照明系統(tǒng)實驗。結(jié)果表明,，主控器自動處理照度傳感器的事件報告并自主控制環(huán)境照明亮度,，達到了智能管理、降低照明能耗的效果,。
中圖分類號： TP271,；TP311
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190849
中文引用格式： 蔡炳利，潘永雄,，胡敏強. DALI 2.0智能照明主控器的研究與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019，45(11)：100-103.
英文引用格式： Cai Bingli,，Pan Yongxiong,，Hu Minqiang. Research and implementation of DALI 2.0 smart lighting master-controller[J]. Application of Electronic Technique，2019,，45(11)：100-103.
Research and implementation of DALI 2.0 smart lighting master-controller
Cai Bingli1,，Pan Yongxiong1，Hu Minqiang2
1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,，Guangdong University of Technology,，Guangzhou 510006,，China； 2.Mean Well(Guangzhou) Electronics Co.,，Ltd.,，Guangzhou 510660，China
Abstract： To ensure the compatibility of Digital Addressable Lighting Interface(DALI) system and improve the smart lighting control effect of the system, this paper systematicly studies the interface circuit and protocol of the DALI 2.0 standard. A master-controller with a builtin bus power and interface circuit is designed, and a PC software match by the controller is designed as well. The ability of autonomous of the master-controller is enhanced to make it become the “brain” of the lighting system. An experiment with master-controller, light sensor and LED driver is proposed. The experimental results show that the master-controller automatically processes the event report of the light sensor and controls the illumination brightness, which achieves the effect of intelligent management and reduces lighting energy consumption.
Key words : DALI 2.0,；lighting control,；master-controller；bus power supply

0 引言

    數(shù)字化照明技術(shù)具有易于控制,、維護等特點,，符合人們對節(jié)能減排、智能管理的需求,，在工業(yè)照明、商業(yè)照明領(lǐng)域受到了廣泛重視,。構(gòu)建標準統(tǒng)一,、穩(wěn)定可靠、互聯(lián)互通的照明系統(tǒng)是智能照明的發(fā)展趨勢,。DALI作為一種標準的通信接口和協(xié)議,，以符合人體視覺效果的對數(shù)調(diào)光曲線和漸變調(diào)整效果以及豐富的調(diào)光指令集，在照明工程中得到廣泛應(yīng)用[1],。

    而傳統(tǒng)DALI照明系統(tǒng)（DALI 1.0系統(tǒng)）中只有主控器和照明裝置,，系統(tǒng)工作在單一的主從模式(single-master)，由主控器單向控制照明裝置的調(diào)光效果[2],。為提升照明系統(tǒng)自動化及減少人為操作環(huán)節(jié),，市面上主要通過如下兩種方式對主控器增加輸入設(shè)備：

    (1)第一類是在主控器上直接集成了如紅外傳感器等傳感器[3]，這類系統(tǒng)的擴展性低,，靈活度差,；

    (2)第二類是通過協(xié)議網(wǎng)關(guān)接入至其他總線，如ZIGBEE-DALI網(wǎng)關(guān)[4],，這種方式將輸入設(shè)備放置于其他總線中,，不僅操作復(fù)雜且不同系統(tǒng)之間存在著無法避免的兼容性問題，以致DALI系統(tǒng)的可靠性下降,。

    為確保DALI系統(tǒng)良好的兼容性,，DALI 2.0技術(shù)定義了輸入設(shè)備標準，新增了輸入設(shè)備與主控器的標準通信模式,。輸入設(shè)備可以主動發(fā)送數(shù)據(jù),，DALI 2.0系統(tǒng)工作在多主機通信模式（multi-master）[5]。

    而DALI總線上的帶寬有限,，隨著DALI系統(tǒng)的設(shè)備類型和通信數(shù)據(jù)的增加,，對主控器也提出了更高的要求。如何提升系統(tǒng)可靠性，充分發(fā)揮輸入設(shè)備的作用,，使主控器處理有用數(shù)據(jù),，最終達到高效自主管理的效果是實際工程項目中需要克服的難題。

1 DALI 2.0標準簡介

    DALI 2.0系統(tǒng)中,，一條總線上最多支持64盞照明裝置,、64個輸入設(shè)備。系統(tǒng)中的所有照明裝置和輸入設(shè)備均具備一個6 bit的短地址碼,，范圍為0~63,。

    DALI 2.0規(guī)范制定了不同類型的輸入設(shè)備標準，如照度傳感器,、移動傳感器,、按鍵面板等[6]。

    總線和總線電源提供了DALI數(shù)字信號的傳輸介質(zhì),。在DALI總線上,，設(shè)備間傳送的是曼徹斯特碼的二相電平信號，每個信號位由一個高電平和一個低電平組成,，信號從高電平變化為低電平表示邏輯信號“0”,，反之為“1”。DALI信號傳輸速率是1 200波特率,，即邏輯信號由417 μs的高電平和低電平組成,。

    在總線上，存在著3種類型的數(shù)據(jù),，分別是24 bit和16 bit的前向幀,，以及8 bit的后向幀。表1是DALI系統(tǒng)設(shè)備與對應(yīng)的通信數(shù)據(jù),。

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2 主控器設(shè)計

2.1 主控器框架

    采用STM32F429作為主控MCU,，負責與PC終端的USB通信、DALI協(xié)議編解碼及總線接口控制,；設(shè)計AC-DC的主電源,，實現(xiàn)AC市電與20 V直流電壓的轉(zhuǎn)換。并分別進行DC-DC的轉(zhuǎn)換得到總線供電17 V電壓及用于MCU外圍線路的5 V供電電壓,，采用5 V轉(zhuǎn)3.3 V的線性穩(wěn)壓線路為MCU提供工作電壓,。主控器線路框圖如圖1所示。

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    采用外部Flash芯片SST25VF020B做內(nèi)存管理,，存儲照明設(shè)備參數(shù)及照明效果配置數(shù)據(jù),；采用芯片PCF2129做RTC時鐘管理，使主控器能實現(xiàn)精準的時間操作,，包括動作的延時,、工作日記錄及斷電時不間斷記錄時間信息等,。

    為便于用戶進行照明設(shè)備及照明效果的參數(shù)設(shè)置，主控器搭配了PC操作軟件,。PC終端與主控器的連接方式為USB線纜,。主控器有如下兩種工作狀態(tài)：

    (1)線纜連接時主控器為在線操作狀態(tài)。在線操作下,，在軟件上為照明裝置和輸入設(shè)備自動分配DALI短地址碼及配置參數(shù),，并可設(shè)定用戶所需的照明效果。

    (2)線纜移除時主控器進入離線操作狀態(tài),。離線狀態(tài)下,，主控器自主分析、處理輸入設(shè)備的事件報告,，并自動控制照明裝置的動作,。

2.2 主電源與接口線路設(shè)計

    設(shè)計主控器內(nèi)置主體電源最大功率15 W，線路采用隔離反激拓撲,，采用UCC28740的PWM控制芯片為主控IC,，電源工作在DCM模式下[7]。電源線路框圖如圖2所示,。

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    采用LM317的穩(wěn)壓控制芯片，制作20 V轉(zhuǎn)17 V總線電壓的DC-DC變換線路,，為總線接口提供輸出電壓,。在總線接口線路上，設(shè)計MCU的DALI信號發(fā)送與接收線路,，總線接口線路如圖3所示,。

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    (1)接收狀態(tài)：結(jié)合表1的要求，為了避免在總線電平低于10 V但高于4.5 V的情況下MCU錯誤地認為總線為高電平狀態(tài),，ZD1可選用8.2 V穩(wěn)壓管,。當總線為高電平狀態(tài)時，Q1管柵極得到驅(qū)動電壓,，此時D3截止,，MCU的DALI_RX引腳獲得3.3 V的電壓；同理,，當總線低于4.5 V,，Q1管截止，D3導(dǎo)通,，MCU的DALI_RX引腳電平接近D3的正向?qū)▔航?。通過識別電壓信號變化，MCU接收來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù),。

    (2)發(fā)送狀態(tài)：當MCU的DALI_TX引腳向三極管輸出高電平驅(qū)動信號時,，Q2導(dǎo)通,，從而拉低Q3管的柵極電壓使Q3截止，DALI接口電壓為輸出總線高電平,；同理,，當DALI_TX引腳對外輸出低電平時，Q2截止,，Q3導(dǎo)通,，總線電平被拉低至0 V。通過高低電平驅(qū)動信號的切換,，MCU向總線發(fā)送數(shù)據(jù)幀,。

2.3 主控器程序設(shè)計

2.3.1 數(shù)據(jù)沖突的避免

    DALI 1.0系統(tǒng)中，只有主控器為主機,，主控器除了在等待接收后向幀以外的任一時間的數(shù)據(jù)發(fā)送不受限制,。而DALI 2.0系統(tǒng)是多主模式，輸入設(shè)備可以自由發(fā)送數(shù)據(jù),，即在總線上可能會有多個數(shù)據(jù)幀同時發(fā)送的情況發(fā)生,，因此設(shè)計主控器采用載波偵聽的機制(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD)監(jiān)控DALI總線上的數(shù)據(jù)變化以避免數(shù)據(jù)傳送沖突,。當總線空閑時,，主控器發(fā)送數(shù)據(jù)；當總線存在數(shù)據(jù)幀時,，主控器等待總線空閑再發(fā)送數(shù)據(jù),；當主控器已開始發(fā)送數(shù)據(jù)但偵測到總線上存在數(shù)據(jù)沖突時，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)并等待重新發(fā)送,。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)備初始化

    在DALI系統(tǒng)的初始化過程中,，主控器需要對總線上的輸入設(shè)備和照明裝置進行短地址分配[8]，分配短地址流程圖如圖4所示,。

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    主控器配置輸入設(shè)備和照明裝置的短地址的核心算法是二分法,。主控器不斷產(chǎn)生搜尋地址并與系統(tǒng)中的設(shè)備隨機地址相比較，直至搜尋地址與隨機地址相等即找到該特定設(shè)備并可配置短地址碼,。若已配置地址碼個數(shù)為64或已無設(shè)備響應(yīng)最大搜尋地址0xFFFFFF,，則主控器完成地址分配。

2.3.3 DALI指令與時序

    主控器與輸入設(shè)備之間及主控器與照明裝置之間具有不同的DALI指令集,，需要單獨設(shè)計,。DALI系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵在于主控器正確識別總線上數(shù)據(jù)幀的來源及數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，并滿足特定的通信時序,。

    在程序設(shè)計上將DALI的底層數(shù)據(jù)發(fā)送和上層的指令應(yīng)用分開,。在主控器中，設(shè)計STM32F429產(chǎn)生1個tick為32 μs的基本定時器中斷,。在發(fā)送過程中,，高電平或低電平連續(xù)保持13個tick,，從而產(chǎn)生上升沿或下降沿的邏輯信號。在接收過程中,，通過邊沿觸發(fā)的外部IO中斷方式配合定時器中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準接收,。

    主控器通過外部Flash存儲DALI系統(tǒng)中輸入設(shè)備與照明裝置的綁定關(guān)系。在系統(tǒng)運行過程中,，采用查找表的方式,，當總線上存在匹配的事件報告時控制照明燈具對象執(zhí)行指定操作。

2.4 PC上位機實現(xiàn)

    設(shè)計PC上位機操作軟件,，以便用戶進行參數(shù)設(shè)定,。采用Visual Studio 2017作為上位機開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)框架選用.NET,，開發(fā)語言為C#,。通過PC軟件，用戶可以進行DALI系統(tǒng)的地址分配,、設(shè)備的基本屬性修改,、燈具分組和場景值設(shè)置等基本操作。

    為了實現(xiàn)某種特定的照明效果,，用戶需要將輸入設(shè)備與照明裝置進行綁定并設(shè)置相關(guān)參數(shù),，從而使輸入設(shè)備作為觸發(fā)信號源，而照明裝置作為與輸入設(shè)備相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行器,。以照度傳感器為例,，用戶設(shè)定環(huán)境亮度參數(shù)的界面如圖5所示。 

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3 實驗

3.1 實驗方案

    實驗設(shè)備采用LED驅(qū)動器類型的照明裝置,。采用照度傳感器類型的輸入設(shè)備，支持最大10 bit的照度分辨率,，即測量范圍為0x0~0x3FF,。在PC上設(shè)定所期望達到的環(huán)境亮度區(qū)間，設(shè)定完成后移除USB線纜,。

    當照度傳感器感知外界環(huán)境亮度變化時間隔向主控器發(fā)送亮度值報告,，主控器進一步判斷亮度值與預(yù)設(shè)的環(huán)境亮度區(qū)間差異來控制LED燈具的實際亮度等級，從而使環(huán)境維持在設(shè)定的亮度區(qū)間,。

    實驗方案拓撲如圖6所示,。

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3.2 主控器通信控制驗證

    圖7是主控器配置輸入設(shè)備和照明裝置的波形圖。主控器配置輸入設(shè)備時,，傳送24 bit前向幀,，并接收8 bit后向幀；配置照明驅(qū)動裝置時,，發(fā)送16 bit前向幀,，接收8 bit后向幀,。

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    在PC上預(yù)設(shè)環(huán)境亮度值區(qū)間為照度傳感器最大測量亮度的50%~60%，即照度值為0x1FF~0x266,，設(shè)置照度傳感器間隔30 s或在檢測亮度變化量大于0x0A(即1%亮度)時發(fā)送事件報告,。當外界環(huán)境亮度變亮至大于0x266的照度值時，主控器自主向照明裝置發(fā)送步進調(diào)暗(Step Down)的16 bit指令,；當事件報告中的照度值低于0x1FF時,，發(fā)送步進調(diào)亮(Step Up)指令。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)方案的正確性,。

4 結(jié)論

    本文進行了對DALI 2.0標準及照明系統(tǒng)的研究,，提出了完整的智能照明解決方案。設(shè)計了符合DALI 2.0多主機通信標準的主控器,，從而確保照明系統(tǒng)良好的互操作性及兼容性,。還將DALI總線電源內(nèi)置于DALI主控器中，實現(xiàn)對總線的異常監(jiān)測及保護,。本設(shè)計可于在線狀態(tài)下設(shè)定整個DALI系統(tǒng)的參數(shù),；也可于離線狀態(tài)下自主高效運行照明控制效果。本設(shè)計實現(xiàn)了智能化管理和綠色照明,，十分適合應(yīng)用于實際照明工程項目,。

參考文獻

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作者信息:

蔡炳利1,，潘永雄1,，胡敏強2

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,，廣東 廣州510006；2.明緯(廣州)電子有限公司,，廣東 廣州510660)

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