DALI 2.0 智能照明調(diào)光系統(tǒng)
數(shù)字化照明技術(shù)具有易于控制、維護(hù)等特點(diǎn)，符合人們對(duì)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(shì)。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(jué)效果的對(duì)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(dòng)化及減少人為操作環(huán)節(jié)，市面上主要通過(guò)如下兩種方式對(duì)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(kuò)展性低，靈活度差；(2)第二類是通過(guò)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(wú)法避免的兼容性問(wèn)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，DALI 2.0系統(tǒng)工作在多主機(jī)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(duì)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(dá)到高效自主管理的效果是實(shí)際工程項(xiàng)目中需要克服的難題。1 DALI 2.0標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)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(gè)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(gè)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(dòng)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(hào)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(hào)，每個(gè)信號(hào)位由一個(gè)高電平和一個(gè)低電平組成，信號(hào)從高電平變化為低電平表示邏輯信號(hào)“0”，反之為“1”。DALI信號(hào)傳輸速率是1 200波特率，即邏輯信號(hào)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(duì)應(yīng)的通信數(shù)據(jù)。
2.1 主控器框架
采用STM32F429作為主控MCU，負(fù)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(jì)AC-DC的主電源，實(shí)現(xiàn)AC市電與20 V直流電壓的轉(zhuǎn)換。并分別進(jìn)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(chǔ)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(shí)鐘管理，使主控器能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)間操作，包括動(dòng)作的延時(shí)、工作日記錄及斷電時(shí)不間斷記錄時(shí)間信息等。為便于用戶進(jìn)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(shí)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(dòng)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(shí)主控器進(jìn)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(bào)告，并自動(dòng)控制照明裝置的動(dòng)作。
2.2 主電源與接口線路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)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?fù)?，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(jì)MCU的DALI信號(hào)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(cuò)誤地認(rèn)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(shí)，Q1管柵極得到驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)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)▔航怠Ｍㄟ^(guò)識(shí)別電壓信號(hào)變化，MCU接收來(lái)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(dòng)信號(hào)時(shí)，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(duì)外輸出低電平時(shí)，Q2截止，Q3導(dǎo)通，總線電平被拉低至0 V。通過(guò)高低電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)
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(jī)，主控器除了在等待接收后向幀以外的任一時(shí)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(huì)有多個(gè)數(shù)據(jù)幀同時(shí)發(fā)送的情況發(fā)生，因此設(shè)計(jì)主控器采用載波偵聽(tīng)的機(jī)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(shí)，主控器發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)總線存在數(shù)據(jù)幀時(shí)，主控器等待總線空閑再發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)主控器已開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)但偵測(cè)到總線上存在數(shù)據(jù)沖突時(shí)，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(guò)程中，主控器需要對(duì)總線上的輸入設(shè)備和照明裝置進(jìn)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(jī)地址相比較，直至搜尋地址與隨機(jī)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(gè)數(shù)為64或已無(wú)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(shí)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(dú)設(shè)計(jì)。DALI系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵在于主控器正確識(shí)別總線上數(shù)據(jù)幀的來(lái)源及數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，并滿足特定的通信時(shí)序。在程序設(shè)計(jì)上將DALI的底層數(shù)據(jù)發(fā)送和上層的指令應(yīng)用分開(kāi)。在主控器中，設(shè)計(jì)STM32F429產(chǎn)生1個(gè)tick為32 μs的基本定時(shí)器中斷。在發(fā)送過(guò)程中，高電平或低電平連續(xù)保持13個(gè)tick，從而產(chǎn)生上升沿或下降沿的邏輯信號(hào)。在接收過(guò)程中，通過(guò)邊沿觸發(fā)的外部IO中斷方式配合定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)接收。主控器通過(guò)外部Flash存儲(chǔ)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(yùn)行過(guò)程中，采用查找表的方式，當(dāng)總線上存在匹配的事件報(bào)告時(shí)控制照明燈具對(duì)象執(zhí)行指定操作。
2.4 PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)PC上位機(jī)操作軟件，以便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。采用Visual Studio 2017作為上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)框架選用.NET，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#。通過(guò)PC軟件，用戶可以進(jìn)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(chǎng)景值設(shè)置等基本操作。為了實(shí)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(jìn)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(hào)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。
3.1 實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用LED驅(qū)動(dòng)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(cè)量范圍為0x0~0x3FF。在PC上設(shè)定所期望達(dá)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(shí)間隔向主控器發(fā)送亮度值報(bào)告，主控器進(jìn)一步判斷亮度值與預(yù)設(shè)的環(huán)境亮度區(qū)間差異來(lái)控制LED燈具的實(shí)際亮度等級(jí)，從而使環(huán)境維持在設(shè)定的亮度區(qū)間。實(shí)驗(yàn)方案拓?fù)淙鐖D6所示。
3.2 主控器通信控制驗(yàn)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(shí)，傳送24 bit前向幀，并接收8 bit后向幀；配置照明驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，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(cè)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(cè)亮度變化量大于0x0A(即1%亮度)時(shí)發(fā)送事件報(bào)告。當(dāng)外界環(huán)境亮度變亮至大于0x266的照度值時(shí)，主控器自主向照明裝置發(fā)送步進(jìn)調(diào)暗(Step Down)的16 bit指令；當(dāng)事件報(bào)告中的照度值低于0x1FF時(shí)，發(fā)送步進(jìn)調(diào)亮(Step Up)指令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的正確性。本文進(jìn)行了對(duì)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(jì)了符合DALI 2.0多主機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)總線的異常監(jiān)測(cè)及保護(hù)。本設(shè)計(jì)可于在線狀態(tài)下設(shè)定整個(gè)DALI系統(tǒng)的參數(shù)；也可于離線狀態(tài)下自主高效運(yùn)行照明控制效果。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能化管理和綠色照明，十分適合應(yīng)用于實(shí)際照明工程項(xiàng)目。
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作者信息:
蔡炳利1，潘永雄1，胡敏強(qiáng)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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