DALI 2.0 智能照明調光系統(tǒng)
數(shù)字化照明技術具有易于控制、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)照明領域受到了廣泛重視。構建標準統(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)調光曲線和漸變調整效果以及豐富的調光指令集，在照明工程中得到廣泛應用[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)關接入至其他總線，如ZIGBEE-DALI網(wǎng)關[4]，這種方式將輸入設備放置于其他總線中，不僅操作復雜且不同系統(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技術定義了輸入設備標準，新增了輸入設備與主控器的標準通信模式。輸入設備可以主動發(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。DALI 2.0系統(tǒng)中，一條總線上最多支持64盞照明裝置、64個輸入設備。系統(tǒng)中的所有照明裝置和輸入設備均具備一個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。在DALI總線上，設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)設備與對應的通信數(shù)據(jù)。
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；設計AC-DC的主電源，實現(xiàn)AC市電與20 V直流電壓的轉換。并分別進行DC-DC的轉換得到總線供電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做內存管理，存儲照明設備參數(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備及照明效果的參數(shù)設置，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備自動分配DALI短地址碼及配置參數(shù)，并可設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計
設計主控器內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導通，MCU的DALI_RX引腳電平接近D3的正向導通壓降。通過識別電壓信號變化，MCU接收來自其他設備的數(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動信號時，Q2導通，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導通，總線電平被拉低至0 V。通過高低電平驅動信號的切換，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。主控器不斷產生搜尋地址并與系統(tǒng)中的設備隨機地址相比較，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或已無設備響應最大搜尋地址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，需要單獨設計。DALI系統(tǒng)正常運行的關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)幀的內容，并滿足特定的通信時序。在程序設計上將DALI的底層數(shù)據(jù)發(fā)送和上層的指令應用分開。在主控器中，設計STM32F429產生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)中輸入設備與照明裝置的綁定關系。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)
設計PC上位機操作軟件，以便用戶進行參數(shù)設定。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、設備的基本屬性修改、燈具分組和場景值設置等基本操作。為了實現(xiàn)某種特定的照明效果，用戶需要將輸入設備與照明裝置進行綁定并設置相關參數(shù)，從而使輸入設備作為觸發(fā)信號源，而照明裝置作為與輸入設備相關聯(lián)的執(zhí)行器。以照度傳感器為例，用戶設定環(huán)境亮度參數(shù)的界面如圖5所示。
3.1 實驗方案
實驗設備采用LED驅動器類型的照明裝置。采用照度傳感器類型的輸入設備，支持最大10 bit的照度分辨率，即測量范圍為0x0~0x3FF。在PC上設定所期望達到的環(huán)境亮度區(qū)間，設定完成后移除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設的環(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)境維持在設定的亮度區(qū)間。
3.2 主控器通信控制驗證
圖7是主控器配置輸入設備和照明裝置的波形圖。主控器配置輸入設備時，傳送24 bit前向幀，并接收8 bit后向幀；配置照明驅動裝置時，發(fā)送16 bit前向幀，接收8 bit后向幀。
在PC上預設環(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)送步進調亮(Step Up)指令。實驗結果驗證了系統(tǒng)方案的正確性。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總線電源內置于DALI主控器中，實現(xiàn)對總線的異常監(jiān)測及保護。本設計可于在線狀態(tài)下設定整個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。本設計實現(xiàn)了智能化管理和綠色照明，十分適合應用于實際照明工程項目。
參考文獻
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[6] Digital illumination interface alliance.IEC 62386-the international standard for DALI technology[EB/OL].https：//www.digitalilluminationinterface.org/dali/standards.html#overview.
[7] 潘永雄.開關電源技術與設計(第2版)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2019.
[8] 劉洪雷，馬建設，蘇萍.一種應用于智能照明的自動組網(wǎng)方法[J].照明工程學報，2014，25(2)：138-142.
作者信息:
蔡炳利1，潘永雄1，胡敏強2
1.廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，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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