一種基于DALI通信電路的設(shè)計

萬 清，胡南中

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

一種基于DALI通信電路的設(shè)計

萬 清，胡南中

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

介紹目前用于智能照明系統(tǒng)的數(shù)字可尋址照明接口（DALI）協(xié)議，重點介紹了該協(xié)議的通信電路組成及軟件設(shè)計方法。針對智能照明控制系統(tǒng)，提出一種采用單片機設(shè)計的DALI協(xié)議通信電路，給出了具體通信電路的硬件設(shè)計，以及一種高可靠的DALI協(xié)議通信的軟件設(shè)計方法。通過對整體通信電路的常溫、高溫測試驗證，結(jié)果達到了設(shè)計要求。該電路設(shè)計思想可以應(yīng)用在符合DALI通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的各種主從控單元中，程序設(shè)計思想可以方便移植到其他單片機上。該方案簡單實用，可以進一步推廣應(yīng)用，是一種實現(xiàn)低成本、高可靠的DALI協(xié)議通信解決方案。

協(xié)議；數(shù)字可尋址照明接口；照明控制；電子鎮(zhèn)流器

1 引言

近年來，智能照明領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。采用新一代智能照明系統(tǒng)及更高效率的節(jié)能燈具，具有廣闊的市場前景。實現(xiàn)照明控制系統(tǒng)智能化的主要目的有兩個：一是可以提高照明系統(tǒng)的控制和管理水平，減少照明系統(tǒng)的維護成本；二是可以節(jié)約能源，減少照明系統(tǒng)的運營成本。同時照明市場潛力巨大，可用于辦公室、商店、酒店、家庭，另外隨著智能照明技術(shù)的不斷進步和成本下降，預(yù)計在不久的將來會逐步進入普通照明領(lǐng)域。因此，研究、開發(fā)智能照明技術(shù)有著重要的社會意義和經(jīng)濟意義[1]。

本文對采用數(shù)字可尋址照明接口（DALI）的智能照明技術(shù)進行簡要描述。該系統(tǒng)具有分布式照明模塊，各個智能化模塊都具有數(shù)字控制和通信能力，地址和燈光場景信息等都存儲在各個DALI模塊的存儲器內(nèi)。每個智能模塊在DALI總線上進行數(shù)字通信，傳遞指令和反饋狀態(tài)信息，實現(xiàn)控制燈具的開關(guān)、調(diào)光以及對整個系統(tǒng)的設(shè)置等功能。本文緊跟智能照明發(fā)展方向，主要研究DALI智能照明系統(tǒng)中，作為重要基礎(chǔ)的收發(fā)通信電路的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。

2 數(shù)字可尋址照明接口協(xié)議

本設(shè)計實例，電氣特征是基于DALI協(xié)議的智能照明控制系統(tǒng)，具有簡單、可靠、功能優(yōu)良等特點。DALI接口通信協(xié)議編碼簡單明了，通信傳輸由主控單元控制，共可連接64個從控單元，采用雙向曼徹斯特編碼的異步串行物理層通信協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為兩類。接收幀的傳輸方向是從主控器到從設(shè)備，它由19位組成，1個起始位，8個地址位，8個數(shù)據(jù)位和2個停止位。發(fā)送幀由從設(shè)備到主控器，由11位組成，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，2個停止位。信息傳送速率1 200 bit/s，半雙工雙向編碼方式，其主要電氣特征如圖1所示。

圖1 DALI通信接口電平

根據(jù)IEC 60929標(biāo)準(zhǔn)，DALI總線上的最大電流限制為250 mA，DALI線路長度不得超過300 m，DALI線路上最大電壓降應(yīng)確保不超過2 V。任何時候，系統(tǒng)都需要保證不能超過這些限制值，否則會降低信號的安全性和完整性，系統(tǒng)運行也變得不穩(wěn)定[2]。

3 設(shè)計原理

3.1 總體設(shè)計

符合DALI協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模塊主要由主控器、傳感器、LED調(diào)光模塊或直管熒光燈（TL）的調(diào)光鎮(zhèn)流器等組成。每個DALI模塊，通信部分主要由DALI發(fā)送/接收電路和協(xié)議處理微控制器來完成。微控制器接收解析完成DALI指令后，可以傳送至主控器模塊來進行整個DALI系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，同時也可以傳送至傳感器、LED調(diào)光模塊和熒光燈鎮(zhèn)流器等終端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，本文以從控單元中收發(fā)處理協(xié)議部分的軟硬件設(shè)計展開描述，總體設(shè)計框架如圖2所示。

DALI總線采用2根芯線的雙絞線，用于正、負信號傳送，另外屏蔽層用作信號地。本文研究協(xié)議收發(fā)及處理部分采用PIC單片機為調(diào)試實例，進行協(xié)議的打包和處理，另外采用本文的軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的協(xié)議通信。

圖2 總體設(shè)計框架

3.2 硬件設(shè)計

在硬件電路部分，本文以DALI從控單元的發(fā)送/接受電路設(shè)計為例，進行簡單介紹。電路需要符合DALI協(xié)議的相關(guān)電氣特征要求完成接收和發(fā)送，由于DALI電平與CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)不同，需要對其進行電平轉(zhuǎn)換，同時考慮安全與穩(wěn)定的總線通信，采用隔離的方式實現(xiàn)。

目前實現(xiàn)設(shè)計的相關(guān)硬件電路如圖3所示，單片機接收的信號與DALI總線電平相反。光耦BU3是發(fā)送隔離光耦，BU4是接收隔離光耦，總線電平通過光耦隔離后進行CMOS電平的相互轉(zhuǎn)換。圖3中標(biāo)識1部分是恒流電路組成的接收部分電路，實現(xiàn)信號接收，標(biāo)識2部分電路是發(fā)送部分電路，實現(xiàn)信號發(fā)送。

從接收部分看，總線高電平經(jīng)過整流橋整流后，經(jīng)過恒流源電路，使接收隔離光耦BU4導(dǎo)通，單片機接收到與總線相反的低電平信號。從發(fā)送部分看，DALI空閑時總線為高電平，允許從機向主機回復(fù)信號狀態(tài)，當(dāng)單片機發(fā)送高電平信號時，使發(fā)送隔離光耦BU3導(dǎo)通同時觸發(fā)三極管BQ5的導(dǎo)通，之后給MOS管Q5一個導(dǎo)通電壓使得MOS管Q5打開，DALI總線被拉到低電平，若當(dāng)單片機發(fā)送低電平信號時，反之亦然，DALI總線維持高電平。

另外，這里因為是列舉的從控單元設(shè)計，不考慮最大250 mA的DALI總線電流，最大總線電流由總線上主控單元中的限流電阻來起總線電流保護作用。但作為從控單元收發(fā)電路，往往是與高壓、大功率燈具整合在一起，需要考慮瞬時尖峰脈沖電壓的出現(xiàn)，一般在其輸入電路中并聯(lián)一個壓敏電阻進行輸入保護。

3.3 軟件設(shè)計

DALI通信接口包括DALI指令的發(fā)送和接收兩部分，采用雙向曼徹斯特編碼，每位的發(fā)送時間為833.33 μs。DALI協(xié)議從主控單元向從控單元發(fā)出的指令數(shù)據(jù)由19位數(shù)據(jù)組成，如圖4所示。

發(fā)送幀第1位是起始位（S位），第2到第9位是地址位，第10到第17位是數(shù)據(jù)位，第18、19位為停止位。DALI協(xié)議中從控單元只有在主控單元查詢時，才向主控單元發(fā)送接收幀數(shù)據(jù)。從控單元發(fā)送的接收幀數(shù)據(jù)由11位數(shù)據(jù)組成。第1位是起始位，第2到第9位是數(shù)據(jù)位，第10和第11位是停止位。只有符合上述指令標(biāo)準(zhǔn)的信息，智能照明網(wǎng)絡(luò)中的DALI設(shè)備才對其做出反應(yīng)，否則將不予理睬。

圖3 DALI接收/發(fā)送電路

圖4 DALI發(fā)送接收幀

本文采用PIC單片機為例來設(shè)計實現(xiàn)DALI協(xié)議的收發(fā)處理，PIC單片機內(nèi)有精確的內(nèi)部振蕩器，出廠時已經(jīng)校準(zhǔn)到±1%，可選頻率范圍為8 MHz～32 kHz，寬工作電壓范圍2.0～5.5 V，包括外部中斷INT0和3個定時器中斷TMR0、TMR1、TMR2，在協(xié)議分析和打包方面需要采用單片機的中斷資源。

DALI指令的發(fā)送操作比較簡單，只需配置計時器中斷周期為416.67 μs，再對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼、封裝，通過格式化檢測之后，計時器每中斷一次發(fā)送1/2 bit的數(shù)據(jù)位，直至發(fā)送完成。

關(guān)于單片機內(nèi)部振蕩器溫漂的問題，只要通過一個計數(shù)器記錄接受主機發(fā)送數(shù)據(jù)位的周期，然后以該周期計數(shù)值來產(chǎn)生發(fā)送的頻率，有效解決由溫度變化帶來的頻率漂移，發(fā)送不符合DALI協(xié)議的數(shù)據(jù)包。所以只要軟件設(shè)計合理，就能解決穩(wěn)定發(fā)送數(shù)據(jù)的問題。發(fā)送過程中要關(guān)閉其他所有中斷，防止中斷沖突。

與發(fā)送相比，如何正確地采樣DALI協(xié)議的接收指令，確保DALI指令接收的準(zhǔn)確性一直是一個難點[3]。傳統(tǒng)方法是，當(dāng)DALI接收端口收到下降沿信號時產(chǎn)生外部中斷，中斷周期為416.67 μs，計時器每中斷一次進行一次端口采樣。這種方法有多個缺點，最主要是單片機時鐘有誤差，每中斷一次采樣時間誤差累積一次，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣出錯。

此外，高溫環(huán)境帶來的單片機內(nèi)部震蕩頻率溫漂問題，影響了指令接收的可靠性。在前期做過的定時采樣DALI設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)接收指令不響應(yīng)的問題，通過分析和驗證，發(fā)現(xiàn)電路模塊工作環(huán)境溫度對單片機的影響比較大。例如，一般DALI從控單元安放位置靠近燈管上方，燈管產(chǎn)生的熱量上升，使工作環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致單片機內(nèi)部振蕩頻率產(chǎn)生溫漂，減弱了DALI設(shè)備的指令識別能力，因此重點考慮協(xié)議的正確接收，有助于提升DALI網(wǎng)絡(luò)可靠性。

本文提出了一種新的DALI指令的接收采集方法，是通過單片機的外部中斷INT0（I0）上下邊沿交替觸發(fā)中斷，同時與TMR0（T0）中斷相互配合，以前后數(shù)據(jù)位相同或相反的方式來讀取數(shù)據(jù)。此過程較為復(fù)雜，但能完成對接收指令的高可靠采樣。

前面已介紹過，單片機接收的信號與DALI總線相反。起始位檢測比較簡單，在出現(xiàn)第一個下降沿I0中斷后（見圖5），TMR0設(shè)置t1為1/4T的定時器中斷。T0產(chǎn)生中斷后，單片機應(yīng)該采樣到起始位是低電平，則起始位接收成功，否則起始位報接收錯誤返回，初始化到重新接收指令狀態(tài)。

圖5 起始位及第一數(shù)據(jù)位1信號

如果起始位接收成功，開始檢測接收的第一位數(shù)據(jù)。在t2的起始點設(shè)置TMR0為5/4T定時器中斷時間，根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則的特性，每個數(shù)據(jù)周期內(nèi)都有電平變化，所以在連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的時候，上升和下降沿出現(xiàn)的周期為1/2T或T。同時考慮余量TMR0設(shè)置為（1+1/4）T時間，第一位數(shù)據(jù)的判斷又分兩種情況即0或1。當(dāng)接收數(shù)據(jù)為1時（圖5），下一個I0中斷必定會在1/4T時出現(xiàn)；當(dāng)接收數(shù)據(jù)為0時（圖6），下一個I0中斷必定會在3/4T時出現(xiàn)。所以只要判斷TMR0的定時時間t2是否小于判斷的中間值1/2T就可以識別數(shù)據(jù)，同時形成了數(shù)據(jù)識別1/4T的容差范圍。這里還需要注意的是，當(dāng)?shù)谝晃粩?shù)據(jù)識別為1的時候，下一個下降沿中斷必定在同一個數(shù)據(jù)周期內(nèi)產(chǎn)生，因為此位數(shù)據(jù)已經(jīng)判斷出來，不需要再做任何判斷，只需跳過該周期內(nèi)的外部中斷即可。

對于后續(xù)數(shù)據(jù)的判斷，0和1的周期時間只會出現(xiàn)在1/2T和T這兩種情況，因此只需要TMR0中的計數(shù)時間，即圖5和圖6中t4運行的時間與3/4T來做大小判斷，可得到后續(xù)的數(shù)據(jù)位和前一位相同或相反。數(shù)據(jù)結(jié)束位是占據(jù)每個發(fā)送幀的最后2位，在DALI總線上表示出一直高電平狀態(tài)。對結(jié)束位的采樣不再采用數(shù)據(jù)中斷的方式，而是通過2次T0中斷來判別。具體做法是，先識別到最后一位數(shù)據(jù)位（第16位），在該位數(shù)據(jù)周期中間開始設(shè)置TMR0為T的時間中斷周期，連續(xù)2次T0中斷時單片機接收到低電平信號（與DALI總線高電平相反），表示正確接收了停止位，反之停止位接收錯誤。

軟件流程圖如圖7和圖8所示，主要采用INT0中斷和TMR0中斷的程序相互配合來完成數(shù)據(jù)接收采樣。軟件初始化后，共設(shè)置了4個變量，分別為統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)位計數(shù)變量、統(tǒng)計接收停止位計數(shù)變量、接收到起始標(biāo)志位和跳中斷標(biāo)志位變量。

圖6 起始位及第一數(shù)據(jù)位0信號

采用該軟件設(shè)計方法的最大優(yōu)點在于能夠穩(wěn)定接收數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)方式比較，能夠?qū)崿F(xiàn)每一位數(shù)據(jù)采集誤差都保持一致，不會因采集數(shù)據(jù)越長而導(dǎo)致采樣誤差越大。另外，能夠產(chǎn)生一個高容限±1/4T的采樣誤差范圍，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定正確地接收。

4 設(shè)計結(jié)果

為了驗證DALI數(shù)字通信的功能正確性，對通信處理模塊進行了調(diào)試。DALI指令采用一款DALI主控模塊發(fā)送，發(fā)送指令為一條DALI協(xié)議中廣播地址開燈指令0xFF08。圖9中信號1是單片機接收到DALI信號的波形，信號2是TMR0中斷的時序，中斷檢測到一次跳變一次，信號3是外部中斷INT0的時序圖，功能符合設(shè)計預(yù)期。

為了驗證DALI數(shù)字通信的可靠性，在上述設(shè)計中，將DALI接收模塊在常溫和高溫下進行實驗，實驗測得數(shù)據(jù)與理論值差距2%，采樣周期的容限范圍在±23%左右，與±1/4T的數(shù)據(jù)采樣誤差范圍相近，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的一種DALI通信電路，在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，著重對軟件設(shè)計部分進行了通信可靠性的設(shè)計提升，并對整體電路進行常溫、高溫測試驗證，電路在實際測試中表現(xiàn)良好，程序思想也可以方便地移植到其他單片機上，設(shè)計思想可以應(yīng)用在DALI主從控單元中。該方案簡單實用，可以進一步推廣應(yīng)用，實現(xiàn)低成本、高可靠的DALI通信解決方案。

Design of a Communication Circuit Based on DALI Protocol

WAN Qing, HU Nanzhong
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

The article introduces the digital addressable lighting interface（DALI）protocol for intelligent lighting systems. It focuses on the communication circuit and software design of the protocol. The paper describes a MCU design and a highly reliable software design for DALI protocol communication. The results meet the design requirements by the normal temperature and high temperature testing. In the paper, the circuit design can be applied to the DALI communication protocol from various master control and slave unit. Program design can be easily applied to other MCU. The solution is simple and practical and it can be more widely used. It’s low cost and high reliability solutions for DALI protocol.

protocol; digital addressable lighting interface; lighting control; electronic ballast

圖7 INT0中斷流程圖

圖8 TMR0中斷流程圖

TN402

A

1681-1070（2015）07-0028-05

2015-05-25