李春樹 潘海軍

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

基于DALI協(xié)議的數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

李春樹 潘海軍

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

數(shù)字可尋址調(diào)光接口DALI（Digital Addressable Lighting Interface)是目前流行的燈光控制接口標(biāo)準(zhǔn)。在高效、高功率因數(shù)的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)方案中，通過EMI濾波器、有源功率因數(shù)校正電路、鎮(zhèn)流器控制電路、微控制器和隔離的數(shù)字可尋址照明接口（DALI）電路的設(shè)計(jì)能自動(dòng)完成燈的預(yù)熱、觸發(fā)和燈功率控制，實(shí)現(xiàn)了智能控制，充分利用了能源。

數(shù)字可尋址照明接口；電子鎮(zhèn)流器；數(shù)字調(diào)光

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問題己經(jīng)成為全球最為關(guān)注的問題之一。在我國(guó)的整體用電中，照明用電在能源消耗中占有不小的比重，開發(fā)高效節(jié)能的照明產(chǎn)品是節(jié)約照明用電的重要途徑。數(shù)字調(diào)光電子鎮(zhèn)流器作為智能照明系統(tǒng)的執(zhí)行器，在整個(gè)智能照明系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的DALI(即Digital Addressable Lighting Interface——數(shù)字可尋址照明接口)總線通訊協(xié)議控制的電子鎮(zhèn)流器取代目前的電感鎮(zhèn)流器，將使氣體放電燈的綜合節(jié)能潛力發(fā)掘出 20%-30%以上，這無疑將產(chǎn)生極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)它以低成本、高性價(jià)比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、易于處理和允許控制單元適配以后開發(fā)的功能，并且可以通過適當(dāng)?shù)慕涌诩傻浇ㄖ锕芾硐到y(tǒng)中。因此數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色照明具有重要意義[1-2]。

1 數(shù)字可尋址照明接口(DALI)

DALI規(guī)范定義了一種恒定電流總線，它的最大電流是250mA，標(biāo)稱電壓是16V。每臺(tái)設(shè)備都通過使用光隔離器電路拉低總線電流（匯電流）的方法向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。線路可以位于導(dǎo)線管的內(nèi)部或者外部，而且連接是與極性無關(guān)的，這簡(jiǎn)化了安裝人員的操作。所有燈具的線路都使用星型或者菊花鏈型的連接接在一起，且使用不間斷交流電源為每部燈具供電。DALI協(xié)議非常簡(jiǎn)單，但它有一套專門為照明裝置設(shè)計(jì)的強(qiáng)大指令集。數(shù)據(jù)通過Manchester格式以1200b/s的速率進(jìn)行傳遞——該速度足夠滿足照明裝置的應(yīng)用?；镜膮f(xié)議定義包括單個(gè)主設(shè)備（控制器）以及多達(dá)64臺(tái)受控設(shè)備（鎮(zhèn)流器）。主設(shè)備發(fā)出16位的命令或者請(qǐng)求。鎮(zhèn)流器設(shè)備可以選擇返回8位的響應(yīng)。只有在控制設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求的情況下，鎮(zhèn)流器設(shè)備才能夠向總線發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。除協(xié)議之外，DALI還支持光衰減、對(duì)數(shù)調(diào)光、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況和故障檢測(cè)[4]。對(duì)于全部照明環(huán)境，DALI允許不同的控制和管理。發(fā)射指令既可以到達(dá)單個(gè)鎮(zhèn)流器，也可以到達(dá)一組鎮(zhèn)流器，實(shí)現(xiàn)1%～100%的調(diào)光范圍[5]。通過數(shù)字控制，可根據(jù)不同的照明需要精密調(diào)節(jié)光電平。

DALI協(xié)議的主要技術(shù)指標(biāo)[6-7]：

(1)異步串行通信協(xié)議，使用曼徹碼編碼，半雙工傳輸，上升沿表示“1”，下降沿表示“0”，信息傳輸速率1.2Kb/s。

(2)雙線差分驅(qū)動(dòng)，DALI通過使用兩根導(dǎo)線進(jìn)行雙向串行通信，導(dǎo)線間電壓于9.5V時(shí)表示高電平，小于6.5V時(shí)表示低電平。

(3)由主控單元控制通信，總線上最多可以連接64個(gè)從控單元。主控單元通過前向幀傳送地址和命令，從控單元通過后向幀反饋應(yīng)答信息。

(4)在每1幀的持續(xù)時(shí)間內(nèi)允許至少4個(gè)并行進(jìn)程。

(5)每個(gè)從控單元都同時(shí)具有物理地址、組地址和廣播地址三種地址并支持這三種尋址模式。全部64個(gè)從控單元可分為16個(gè)組，一個(gè)從控單元可以同時(shí)屬于幾個(gè)不同的組，所有的從控單元都對(duì)廣播地址做出響應(yīng)。

一個(gè)DALI總線系統(tǒng)包括主控單元和從控單元兩部分，DALI總線系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 DALI總線系統(tǒng)示意圖

2 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的具有數(shù)寧可尋址調(diào)光接口的電子鎮(zhèn)流器由電磁干擾（EMI）濾波器、功率因數(shù)校正、電源穩(wěn)壓、鎮(zhèn)流器控制、DALI數(shù)字控制接口和振蕩輸出等部分組成?？烧{(diào)光電子鎮(zhèn)流器原理框圖如圖2所示：

圖2 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器原理框圖

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

EMI濾波器防止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生噪聲。有源功率因數(shù)校正用于正弦輸入電流和調(diào)整DC電壓。鎮(zhèn)流器控制提供RLC燈管諧振輸出電路的頻率調(diào)制控制、預(yù)熱、點(diǎn)燃和調(diào)光功能。能廣泛用于各種類型的熒光燈。微控制器提供DALI通訊指令和軟件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)光、燈故障檢測(cè)、掉電自動(dòng)重啟動(dòng)功能。

調(diào)光鎮(zhèn)流器控制集成電路用IR2159，微控制器電路采用PIC16F628單片機(jī)。IR2159從單片機(jī)接收信號(hào)控制鎮(zhèn)流器。單片機(jī)從IR2159中檢測(cè)診斷信號(hào)，通過DALI控制器將檢測(cè)結(jié)果上傳到DALI控制器或PC機(jī)。

鎮(zhèn)流器和DALI控制器通訊用兩個(gè)信號(hào)：TX（從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到單片機(jī)的數(shù)字串行信號(hào)）和RX（從單片機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字串行信號(hào)）。數(shù)字接口需要保證DALI輸入和諧振燈輸出級(jí)之間電壓隔離。單片機(jī)管理接口和IR2159之間的通訊。指令輸入用RS232/DALI變換器（DALI控制器）連接到PC機(jī)或人機(jī)控制器。

2.1.1 EMI濾波單元設(shè)計(jì)

隨著各種電子設(shè)備的大量使用，電磁干擾(EMI)日益嚴(yán)重已形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度大(幾百伏至幾千伏)、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。抑制EMI的技術(shù)措施有屏蔽、接地(浮地、單點(diǎn)地和接地網(wǎng))與濾波。其中，濾波技術(shù)是抑制傳導(dǎo)干擾最有效和最經(jīng)濟(jì)的手段。由于各種干擾在系統(tǒng)接口處最為嚴(yán)重，故EMI濾波器均放在系統(tǒng)電源線的入口處。交流電源線的傳導(dǎo)干擾包括差模噪聲成分和共模噪聲成分。為了起到抑制干擾、降低噪聲的作用，采用交流線路EMI濾波器(見圖2)。EMI濾波器既抑制了來自電網(wǎng)的共模和差模干擾，保證二次側(cè)不出現(xiàn)共模噪聲和差模噪聲。同時(shí),它對(duì)電子鎮(zhèn)流器自身產(chǎn)生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網(wǎng)不受污染。為了取得理想的濾波效果，設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)復(fù)合式濾波，兩級(jí)復(fù)合式濾波電路如圖3所示。

圖3 兩級(jí)復(fù)合式濾波電路

2.1.2 功率因數(shù)控制電路（APFC）

當(dāng)功率因數(shù)過低時(shí)，使電力供電設(shè)備得不到充分利用。電能的巨大浪費(fèi)，而且會(huì)影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。而且會(huì)在建筑物的供電導(dǎo)線中產(chǎn)生熱量。電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)低會(huì)限制家用電器的負(fù)荷，甚至?xí)黾诱彰髻M(fèi)用。功率因數(shù)校正電路由功率因數(shù)控制電路由L6561、MOSFET、電感（T）、二極管（D1）、電容（C5）等元件組成。功率因數(shù)校正電路是一個(gè)運(yùn)行在臨界傳導(dǎo)模式的升壓變換器。這意味著電感電流在每個(gè)循環(huán)MOSFET導(dǎo)通時(shí)放電到零，按輸入電壓調(diào)整DC電源電壓,保證鎮(zhèn)流器的輸入電流。L6561的工作原理是采用固定導(dǎo)通時(shí)間控制方法，使峰值電感電流包絡(luò)線跟隨交流輸入電壓的變化軌跡。采用PWM工作模式，迫使電流和電壓同相位，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

APFC電路產(chǎn)生400V的穩(wěn)壓電壓，并且保證功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。功率因數(shù)控制電路如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)控制電路

2.1.3 鎮(zhèn)流器控制

IR2159是IR公司推出的一種新型電子鎮(zhèn)流器電路。該電路與其他同類電路的最大不同是增加了調(diào)光功能。

IR2159具有如下特點(diǎn)：

(1)集鎮(zhèn)流器控制、調(diào)光、半橋驅(qū)動(dòng)于一體。

(2)具有調(diào)光控制功能，閉環(huán)功率控制、閉環(huán)預(yù)熱電流控制、可編程預(yù)熱時(shí)間和電流、可編程最小頻率，燈管點(diǎn)燃檢測(cè)、可編程點(diǎn)燃到調(diào)光之間的時(shí)間、調(diào)光控制電壓0.5-5VDC。

(3)具有多種保護(hù)功能。如燈絲失效保護(hù)、過流保護(hù)、啟動(dòng)失效保護(hù)及過溫保護(hù)。鎮(zhèn)流器典型控制電路如圖5所示。

圖5 鎮(zhèn)流器控制電路

2.1.4 微控制器部分

微控制器是整個(gè)鎮(zhèn)流器電路的核心，存儲(chǔ)著鎮(zhèn)流器的大量信息。當(dāng)它接收到經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的DALI信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行判斷并執(zhí)行響應(yīng)的命令。

圖6 微控制器電路

當(dāng)需要調(diào)光時(shí)，其CCP端口PWM 輸出脈沖，通過RC低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)0.5V~5V電平的輸出。PIC16F628共有5個(gè)I/O端口，除了通用I/O功能外，這些端口還具有各自不同的專用功能，例如PWM輸出、計(jì)數(shù)器輸入、外部電平中斷、I2C總線接口等。DALI 鎮(zhèn)流器中存儲(chǔ)了大量的參數(shù)，而絕大多數(shù)參數(shù)都存放在EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，以保證斷電后這些參數(shù)依然存在。DALI 鎮(zhèn)流器單片機(jī)接收DALI 主機(jī)的各種命令，數(shù)據(jù)以邏輯值 1 作為起始位，包括8位地址位，8位數(shù)據(jù)位，兩個(gè)非編碼的高電平作為結(jié)束標(biāo)志。DALI 系統(tǒng)使用兩條信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)，兩條信號(hào)上的電壓差表示邏輯0和邏輯1，在總線上沒有信號(hào)時(shí)兩條信號(hào)線之間保持高電壓差。DALI 協(xié)議的傳輸速率為1.2Kb/s，信號(hào)周期833.33ms，據(jù)曼徹斯特編碼要求，單片機(jī)每個(gè)周期內(nèi)對(duì)總線采樣2次，采樣延間隔為T/2=417ms，采樣誤差為0.08%。微控制器電路如圖6所示。

2.1.5 電平轉(zhuǎn)換電路

DALI接口與微控制器之間需要有光電隔離的電平轉(zhuǎn)換電路。該接口電路主要有兩個(gè)作用，光電隔離兩端信號(hào)，防止干擾；傳輸電平轉(zhuǎn)換，將DALI信號(hào)線的邏輯電平(DALI信號(hào))轉(zhuǎn)化為單片機(jī)PIC16F628的邏輯電平(TTL信號(hào))，當(dāng)上位機(jī)準(zhǔn)備對(duì)鎮(zhèn)流器進(jìn)行控制，或者是詢問鎮(zhèn)流器狀態(tài)時(shí)，通過電平轉(zhuǎn)換電路就可把DALI信號(hào)轉(zhuǎn)換為微控制模塊的TTL電平，微控制模塊準(zhǔn)備向上位機(jī)發(fā)送反饋信息時(shí)，電平轉(zhuǎn)換電路又實(shí)現(xiàn)了TTL電平到DALI信號(hào)的轉(zhuǎn)換。另外，電平轉(zhuǎn)換電路通過光耦隔離，起到了隔離兩邊電路的作用，減少了干擾。DALI照明控制系統(tǒng)與以往照明系統(tǒng)相比一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能調(diào)光，達(dá)到恒照度的要求。DALI接口電路如圖7所示。

圖7 DALI接口電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，單片機(jī) PICl6F628首先進(jìn)行一些初始化工作，即使能 IR2159，設(shè)定正常工作后燈的初始亮度，向 DALI主機(jī)回送該燈的工作狀態(tài)等。設(shè)置完成后進(jìn)入循環(huán)查詢狀態(tài)。在循環(huán)中單片機(jī)檢查IR2159工作是否正常，有沒有燈絲斷掉或者燈管被取出等故障，如果有這類故障存在，則立即關(guān)閉 IR2159。此外還查詢通信線路是否有命令或數(shù)據(jù)輸入。如收到命令或數(shù)據(jù)，則先進(jìn)行過濾，判斷消息的目的地址是否同分配給該鎮(zhèn)流器的地址相匹配，或消息的組地址是否同鎮(zhèn)流器所在組定義的地址匹配，或者該命令是否是廣播信息。如果地址匹配，立即進(jìn)入與該命令相應(yīng)的子程序。當(dāng)有來自DALI總線上的信息時(shí)，會(huì)引起PICl6F628中斷。如果該信息是針對(duì)該鎮(zhèn)流器的，就進(jìn)人中斷子程序。命令處理完成之后，PICl6F628會(huì)向DALI主機(jī)回送一個(gè)信息，登記該鎮(zhèn)流器現(xiàn)在的狀態(tài)。程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3 結(jié)束語

數(shù)字化可尋址調(diào)光接口（DALI）是一種專用于照明控制系統(tǒng)的通信接口規(guī)范。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，DALI協(xié)議將會(huì)在越來越多的方向受到重視和研究。利用微控制器控制IR2195構(gòu)成的鎮(zhèn)流器控制電路，自動(dòng)完成從燈預(yù)熱、燈觸發(fā)到燈功率控制的全過程，并具有完善的安全保護(hù)功能和高效率與高功率因數(shù)，是減少能源消耗的有效途徑之一。

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TP336：TM923.61

A

1673-2219（2010）12-0013-05

2010－08－26

本文獲湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（04C512）、湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（08JJ6043）聯(lián)合資助。

李春樹（1964－），男，湖南寧遠(yuǎn)人，教授，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(責(zé)任編校：何俊華)