一種DALI調(diào)光控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張曉威，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州 310037)

由于節(jié)能的需要，在20世紀(jì)90年代歐洲開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字式熒光燈照明控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，一些主要的照明生產(chǎn)企業(yè)提出采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議來(lái)加速群控、智能照明節(jié)能產(chǎn)品的推廣使用。在此背景下，數(shù)字可尋址照明接口 DALI(Digital Addressable Lighting Interface)應(yīng)運(yùn)而生。目前， DALI已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60929的一部分，并被Osram、Philips、Tridonic、Trilux等世界各大照明設(shè)備廠商所采用[1]。

雖然DALI協(xié)議是開(kāi)放性的，但是DALI的絕大部分市場(chǎng)被牢固地掌握在歐洲幾大廠商手中[2]。在國(guó)內(nèi)， DALI主要用于大型建筑的調(diào)光控制，例如國(guó)家大劇院、深圳機(jī)場(chǎng)[3]等。而對(duì)于中小型場(chǎng)所，由于DALI設(shè)備價(jià)格不菲等原因，一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。鑒于此，本文提出了一種適用于中小場(chǎng)所的DALI調(diào)光控制器設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)字可尋址照明接口協(xié)議

數(shù)字可尋址照明接口(DALI)是1999年指定的專門用于熒光燈照明控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC60929)，以保證不同制造廠商的DALI設(shè)備的互相兼容。它非常適合當(dāng)前照明技術(shù)所要求的簡(jiǎn)單、可靠、數(shù)字化的要求，為用戶提供了一個(gè)能有效控制和管理的完全可調(diào)光環(huán)境[4]。

DALI是一種雙線照明控制接口方法和通信控制協(xié)議， DALI的基本系統(tǒng)單元由一個(gè)主控制器(作為Master)和64個(gè)獨(dú)立尋址的從設(shè)備(作為Slave)組成。從設(shè)備可分屬16個(gè)組，因此每個(gè)DALI基本單元可設(shè)置16 種照明場(chǎng)景。 DALI系統(tǒng)支持點(diǎn)播、組播和廣播控制方式，同時(shí)還具有淡光、對(duì)數(shù)調(diào)光、照明背景和照明故障檢測(cè)等控制功能。 DALI采用的是雙線差分驅(qū)動(dòng)，當(dāng)壓差大于9.5 V時(shí)為高電平，低于6.5 V為低電平， 6.5 V～9.5 V之間的區(qū)間沒(méi)有定義。DALI協(xié)議的電氣規(guī)則如圖1所示。

圖1 DALI協(xié)議電氣規(guī)則

DALI物理層信號(hào)傳輸采用曼切斯特編碼，下降沿表示邏輯“0”，上升沿表示邏輯“1”。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為兩類：前向幀和后向幀。前向幀的傳輸方向是從主控制器到從設(shè)備，它由19位組成， 1個(gè)起始位， 8個(gè)地址位， 8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)停止位；后向幀由從設(shè)備到主控制器，由11位組成， 1個(gè)起始位， 8個(gè)數(shù)據(jù)位， 2個(gè)停止位。傳輸速率均為1 200 bits/s。

2 主控制器的硬件設(shè)計(jì)

主控制器采用Atmel公司生產(chǎn)的高性能、低功耗8 bit微處理器ATMega16作為控制單元，該芯片速度快、抗干擾能力強(qiáng)，有32個(gè)可編程I/O口和豐富的內(nèi)部資源，完全滿足控制器的需要?？刂破麟娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由按鍵、時(shí)鐘電路、紅外發(fā)射接收電路、DALI接口電路、亮度檢測(cè)傳感器等幾部分組成。其系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)光控制器系統(tǒng)框圖

2.1 紅外發(fā)送/接收電路

發(fā)射電路(遙控器)采用的是普誠(chéng)科技的紅外發(fā)射編碼芯片PT2221。該芯片采用CMOS工藝，工作電壓為2.0 V-5.5 V，編碼方式為NEC編碼，與NEC公司的μPD6121兼容[5]。數(shù)據(jù)輸出引腳REM可以輸出38 kHz的發(fā)射頻率，發(fā)射字格式如圖3所示。遙控器每次發(fā)送32 bit二進(jìn)制碼，前16 bit是遙控器辨識(shí)碼，

圖3 發(fā)射字編碼格式

主要用于區(qū)別不同遙控器，后16 bit是操作碼。這兩個(gè)部分的后8 bit都是前8 bit的反碼，用作數(shù)據(jù)校驗(yàn)。每幀數(shù)據(jù)以9 ms的脈沖加4.5 ms的間隔作為數(shù)據(jù)頭。當(dāng)鍵盤按下長(zhǎng)達(dá)108 ms時(shí)，發(fā)射端開(kāi)始發(fā)送連續(xù)信號(hào)，與單次發(fā)送一樣，只是header信號(hào)是由9 ms的間隔加2.5 ms的脈沖組成的。遙控器共有32個(gè)按鍵，可實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI從設(shè)備的開(kāi)/關(guān)、點(diǎn)播調(diào)光、分組調(diào)光、場(chǎng)景切換，任務(wù)預(yù)設(shè)等操作。

控制器采用一體化接收頭實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、放大和解調(diào)，還原成與同步發(fā)射格式相同，但高、低電位剛好相反的脈沖信號(hào)，簡(jiǎn)化了接收電路。利用MEGA16的16 bit時(shí)鐘單元T/C1的捕獲中斷功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，軟件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。

2.2 DALI發(fā)送/接收電路[6]

由于DALI電平與CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)不同，需要對(duì)其進(jìn)行電平軟換。DALI發(fā)送/接收電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。DALI發(fā)送/接收電路如圖4所示。

圖4 DALI發(fā)送/接收電路

DALI發(fā)送電路主要由一個(gè)控制電源開(kāi)關(guān)的中功率三極管Q3和調(diào)節(jié)Q3開(kāi)關(guān)狀態(tài)的兩個(gè)小功率三極管Q1、Q2組成。 Q1由單片機(jī)通過(guò)反相器IC1來(lái)控制。當(dāng)PA5輸出為低電平，經(jīng)過(guò)IC1轉(zhuǎn)為高電平使Q1導(dǎo)通， Q3截止， DALI口輸出低電平；當(dāng)PA5輸出高電平，經(jīng)過(guò)IC1 轉(zhuǎn)為低電平使Q1截止， Q3導(dǎo)通， DALI口輸出高電平。R5為限流電阻，起保護(hù)作用，當(dāng)DALI總線上電流超過(guò)250 mA時(shí)， R5上的分壓使Q2導(dǎo)通， Q3截止， DALI口輸出低電平，當(dāng)DALI總線上電流正常時(shí)Q2恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。 DALI接受電路主要由一個(gè)比較器U1，穩(wěn)壓管D1等組成。接收時(shí)， DALI口若為低電平，比較器U1輸出高電平，經(jīng)反相器轉(zhuǎn)換為低電平，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷INTP1；當(dāng)DALI口為高電平， 比較器 U1輸出低電平，經(jīng)反相器轉(zhuǎn)換為高電平。

2.3 定時(shí)電路

控制器采用DALLAS公司的DS1302時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能?？刂破髯疃嗫稍O(shè)置8 個(gè)定時(shí)時(shí)間，并可為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)置操作任務(wù)。這一功能提高了DALI調(diào)光系統(tǒng)的靈活性，也方便了用戶操作。通過(guò)軟件查詢法，控制器可以在特定時(shí)間觸發(fā)操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI從設(shè)備開(kāi)/關(guān)、調(diào)光、場(chǎng)景切換等操作。

2.4 光照度測(cè)量電路

采用美國(guó)微型半導(dǎo)體(Microsem i)公司推出的能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器LX1970作為測(cè)量單元。 LX1970內(nèi)含PIN型光電二極管、高增益放大器和兩個(gè)互補(bǔ)式電流輸出端，該光電二極管陣列的光譜特性及靈敏度都與人眼十分相似，能代替人眼去感受環(huán)境亮度的明暗程度，并將接收到的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度的控制。 LX 1970 的電流靈敏度為0.38 Ua/lx，非線性誤差極小，重復(fù)性能好，外圍電路簡(jiǎn)單，微功耗，采用2-5.5 V電源，電源電流可低至85 μA(典型值)[7]。控制器的光照度測(cè)量電路如圖5所示。

圖5 光照度測(cè)量電路

圖5中，電阻R1和R2用于設(shè)定控制亮度的最小值和最大值，改變電容C1的容值可以調(diào)整響應(yīng)時(shí)間并濾除50 Hz電網(wǎng)干擾。設(shè)計(jì)中， LX1970 采用5 V供電，假定需用0.5 V-1.5 V的輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)控制器， 0.5 V代表室內(nèi)亮度最小值， 1.5 V代表亮度最大值，那么可由式(1)確定 R1與 R2比例關(guān)系。

可根據(jù)LX 1970在給定亮度下的輸出電流最大值(ISRCMAX)來(lái)計(jì)算R2的值。設(shè)計(jì)中，實(shí)測(cè)最大亮度時(shí)ISRCMAX為75 μA。 R2的值可由式(2)計(jì)算得到。實(shí)際測(cè)得，在最大亮度和最小亮度下，輸出電壓分別為1.508 V和0.498 V，接近理論值且呈線性變化。

單片機(jī)根據(jù)LX 1970的輸出電壓值來(lái)確定光照度的變化。當(dāng)電壓值發(fā)生變化，控制器會(huì)自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的調(diào)光指令，使電壓穩(wěn)定在特定值，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光照度的恒定。采用此功能，控制器可根據(jù)不同的自然光條件(白天、夜晚、晴天、陰雨天等)適當(dāng)?shù)刈詣?dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光強(qiáng)度，從而最大限度的利用自然光，降低照明功耗。

3 主控制器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 DALI通信接口的軟件模擬

DALI通信接口包括DALI指令的發(fā)送和接受兩部分， DALI發(fā)送幀和接受幀的格式如圖6所示。

圖6 DALI發(fā)送幀和接收幀的格式

DALI發(fā)送幀共19 bit，接受幀11 bit，采用曼徹斯特編碼方式，每bit的發(fā)送時(shí)間為833.33 μs。

軟件模擬DALI通信接口需要占用一個(gè)8 bit的計(jì)數(shù)器T/C0、一個(gè)普通I/O口和一個(gè)帶外部中斷的I/O口。DALI指令的發(fā)送操作比較簡(jiǎn)單，只需配置T/C0的中斷周期為416.67 μs(實(shí)際采用416 μs)，在對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、封裝(加起始位和終止位)并通過(guò)格式檢測(cè)以后，打開(kāi)T/C0中斷，每中斷一次發(fā)送1/2 bit的數(shù)據(jù)，直至發(fā)送完成。發(fā)送過(guò)程中，要關(guān)閉其他所有中斷，防止中斷沖突。

與發(fā)送相比，如何正確的采樣DALI_RX端口的狀態(tài)，確保DALI指令接受的準(zhǔn)確性一直是一個(gè)難點(diǎn)[8]。傳統(tǒng)的方法是，當(dāng)DALI_RX端口接收到下降沿時(shí)產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)而開(kāi)啟T/C0中斷，中斷周期為416.67 μs。 T/C0每中斷一次，進(jìn)行一次DALI_RX的端口采樣。這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是無(wú)法保證采樣的時(shí)間點(diǎn)落在DALI信號(hào)的穩(wěn)定區(qū)域，采樣時(shí)間點(diǎn)有可能處在DALI信號(hào)的上升沿或者下降沿，造成指令的接受錯(cuò)誤；二是很多單片機(jī)并不能將計(jì)數(shù)器的中斷周期精確鎖定在416.67 μs附近，如果中斷周期與此周期偏差較大，采用此方法會(huì)造成誤差的積累。

本文提出了一種新的DALI指令的接收采集方法，可以將采集的時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)確的鎖定在每個(gè)bit的1/4和3/4處(每個(gè)?2 bit的中心位置)，克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，提高了指令接收的準(zhǔn)確度和DALI通信接口的穩(wěn)定性。 DALI指令接收的詳細(xì)過(guò)程如圖7所示。當(dāng)INT1 第一次中斷產(chǎn)生時(shí)， T/C0的中斷周期被設(shè)置為T?4bit，當(dāng)T/C0發(fā)生匹配中斷，在前半個(gè)bit的中心位置(T?4bit處)采樣，并且將T/C0的中斷周期被設(shè)置為T?2bit，所以下一次中斷采樣正好發(fā)生在后半個(gè)bit的中心位置。在下一個(gè)DALI總線的下降沿， T/C0的中斷周期重新設(shè)置為T?4bit，使T/C0與DALI總線的下降沿保持同步。所以，在DALI指令的接收過(guò)程中，所有的采樣點(diǎn)均落在每個(gè)?2 bit的中心位置。所有的采樣點(diǎn)被存儲(chǔ)在緩沖數(shù)組中，通過(guò)比較連續(xù)的兩個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的解碼。在數(shù)據(jù)幀的結(jié)尾， DALI總線保持高電平狀態(tài)，無(wú)INT1中斷產(chǎn)生，以此來(lái)判斷接收結(jié)束。

圖7 DALI指令接收詳細(xì)過(guò)程

3.2 捕獲中斷實(shí)現(xiàn)紅外線解碼

本文采用16 bit時(shí)鐘單元T/C1 的捕獲中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外線解碼，最大限度的簡(jiǎn)化了軟件的編程，解碼過(guò)程中無(wú)延時(shí)程序，提高了單片機(jī)的運(yùn)行效率。

T/C1內(nèi)部的輸入捕獲單元可以應(yīng)用于精確捕獲外部發(fā)生的事情，亦即事件發(fā)生的時(shí)間印記。當(dāng)一個(gè)輸入捕獲事件發(fā)生使得外部引腳ICPI上的邏輯電平發(fā)生變化時(shí)， T/C1的計(jì)數(shù)值將被拷貝到捕獲寄存器ICR1并設(shè)置捕獲中斷標(biāo)志，如果捕獲中斷允許并且總中斷IE打開(kāi)，系統(tǒng)則進(jìn)入中斷服務(wù)程序。這種捕獲中斷通常用于頻率和周期的精確測(cè)量。根據(jù)前述發(fā)射字編碼格式，現(xiàn)以下降沿為觸發(fā)事件進(jìn)行討論。由于一體化接收頭還原出來(lái)的數(shù)據(jù)高、低電位與發(fā)射信號(hào)剛好相反，那么一個(gè)下降沿到下一個(gè)下降沿之間剛好是數(shù)據(jù)頭或者1 bit數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間，根據(jù)編碼規(guī)則，時(shí)間長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的信號(hào)關(guān)系如下：

數(shù)據(jù)頭的時(shí)間：Th=9+4.5 =13.5 ms

數(shù)據(jù)0的時(shí)間：T0 =0.565+0.56 =1.125 ms

數(shù)據(jù)1的時(shí)間：T1 =1.685+0.56 =2.245 ms

軟件流程如圖8所示。設(shè)置檢測(cè)時(shí)間為一個(gè)范圍，可以提高接收的準(zhǔn)確度，調(diào)節(jié)時(shí)間范圍可以調(diào)節(jié)接收靈敏度。

圖8 T/C1捕獲中斷服務(wù)程序

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證DALI調(diào)光控制器和DALI電子鎮(zhèn)流器之間數(shù)字通信的可靠性調(diào)，對(duì)控制器進(jìn)行了測(cè)試。DALI指令信息采用串口調(diào)試工具 ComTools進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)ComTools發(fā)送數(shù)據(jù)0xFE 0x97時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制器的處理，在DALI輸出接口輸出了滿足DALI協(xié)議時(shí)序和電平標(biāo)準(zhǔn)的 DALI調(diào)光指令0xFE 0x97。圖9是DALI調(diào)光指令FE 97的發(fā)送幀波形。圖10是控制器發(fā)送詢問(wèn)指令后， DALI電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)答指令0xFF的波形。在實(shí)測(cè)過(guò)程中， DALI通信穩(wěn)定可靠，通信成功率在99%以上。控制器輸入電壓為16 V DC，空載狀態(tài)下功耗僅為1.6 W(無(wú)LCD背光)。

圖9 DALI調(diào)光指令FE 97的發(fā)送幀波形

圖10 DALI電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)答波形0xFF

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試表明，控制器性能穩(wěn)定、可靠，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DALI終端設(shè)備的準(zhǔn)確控制。而且， 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，特別是改進(jìn)后的DALI通信接口的軟件模擬方法，在實(shí)際測(cè)試中表現(xiàn)良好，可以方便的移植到其他單片機(jī)上。該控制器方案簡(jiǎn)便、實(shí)用，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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