DALI 2.0 智能照明調光系統
數字化照明技術具有易于控制、維護等特點，符合人們對節能減排、智能管理的需求，在工業照明、商業照明領域受到了廣泛重視。構建標準統一、穩定可靠、互聯互通的照明系統是智能照明的發展趨勢。DALI作為一種標準的通信接口和協議，以符合人體視覺效果的對數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DALI照明系統（DALI 1.0系統）中只有主控器和照明裝置，系統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]。為提升照明系統自動化及減少人為操作環節，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]，這類系統的擴展性低，靈活度差；(2)第二類是通過協議網關接入至其他總線，如ZIGBEE-DALI網關[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之間存在著無法避免的兼容性問題，以致DALI系統的可靠性下降。為確保DALI系統良好的兼容性，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送數據，DALI 2.0系統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系統的設備類型和通信數據的增加，對主控器也提出了更高的要求。如何提升系統可靠性，充分發揮輸入設備的作用，使主控器處理有用數據，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系統中，一條總線上最多支持64盞照明裝置、64個輸入設備。系統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種類型的數據，分別是24 bit和16 bit的前向幀，以及8 bit的后向幀。表1是DALI系統設備與對應的通信數據。
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協議編解碼及總線接口控制；設計AC-DC的主電源，實現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，存儲照明設備參數及照明效果配置數據；采用芯片PCF2129做RTC時鐘管理，使主控器能實現精準的時間操作，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：(1)線纜連接時主控器為在線操作狀態。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，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。離線狀態下，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信號發送與接收線路，總線接口線路如圖3所示。
(1)接收狀態：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，ZD1可選用8.2 V穩壓管。當總線為高電平狀態時，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據。(2)發送狀態：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向總線發送數據幀。
2.3 主控器程序設計
2.3.1 數據沖突的避免
DALI 1.0系統中，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據發送不受限制。而DALI 2.0系統是多主模式，輸入設備可以自由發送數據，即在總線上可能會有多個數據幀同時發送的情況發生，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)監控DALI總線上的數據變化以避免數據傳送沖突。當總線空閑時，主控器發送數據；當總線存在數據幀時，主控器等待總線空閑再發送數據；當主控器已開始發送數據但偵測到總線上存在數據沖突時，立即停止發送數據并等待重新發送。
2.3.2 系統設備初始化
在DALI系統的初始化過程中，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系統正常運行的關鍵在于主控器正確識別總線上數據幀的來源及數據幀的內容，并滿足特定的通信時序。在程序設計上將DALI的底層數據發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。在發送過程中，高電平或低電平連續保持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，通過邊沿觸發的外部IO中斷方式配合定時器中斷實現數據的精準接收。主控器通過外部Flash存儲DALI系統中輸入設備與照明裝置的綁定關系。在系統運行過程中，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行指定操作。
2.4 PC上位機實現
設計PC上位機操作軟件，以便用戶進行參數設定。采用Visual Studio 2017作為上位機開發環境，系統框架選用.NET，開發語言為C#。通過PC軟件，用戶可以進行DALI系統的地址分配、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，從而使輸入設備作為觸發信號源，而照明裝置作為與輸入設備相關聯的執行器。以照度傳感器為例，用戶設定環境亮度參數的界面如圖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境亮度區間，設定完成后移除USB線纜。當照度傳感器感知外界環境亮度變化時間隔向主控器發送亮度值報告，主控器進一步判斷亮度值與預設的環境亮度區間差異來控制LED燈具的實際亮度等級，從而使環境維持在設定的亮度區間。
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，發送16 bit前向幀，接收8 bit后向幀。
在PC上預設環境亮度值區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)時發送事件報告。當外界環境亮度變亮至大于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，發送步進調亮(Step Up)指令。實驗結果驗證了系統方案的正確性。本文進行了對DALI 2.0標準及照明系統的研究，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，實現對總線的異常監測及保護。本設計可于在線狀態下設定整個DALI系統的參數；也可于離線狀態下自主高效運行照明控制效果。本設計實現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
[1] 戴廣年，戴保靈.DALI總線在智能燈光控制中的應用[J].江蘇建筑，2016(6)：113-115.
[2] 林展鵬，史濤，許錦標.基于PIC單片機的智能照明系統USB-DALI網關研究[J].工業控制計算機，2014，27(5)：41-42.
[3] 張玉杰，楊小偉.基于DALI協議的多傳感器控制設備設計[J].電子技術應用，2015，41(7)：19-22.
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[5] IEC 62386-101-2014/AMD1-2018，Digital addressable lighting interface-Part 101：General requirements-System components.AMENDMENT 1[S].2018.
[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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