基于DALI 2.0智能照明主控器的智能照明解決方案實現(xiàn)設(shè)計

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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，新增了輸入設(shè)備與主控器的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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)。

2 主控器設(shè)計

2.1 主控器框架

采用STM32F429作為主控MCU，負責(zé)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。

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(zhǔn)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。

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。

（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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)總線空閑時，主控器發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)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(dāng)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。

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(zhǔn)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(dāng)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。

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(dāng)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。

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。

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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。

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