張曉威，秦會斌

(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90年代歐洲開始進行數(shù)字式熒光燈照明控制系統(tǒng)的開發(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)運而生。目前， DALI已成為國際標(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)議是開放性的，但是DALI的絕大部分市場被牢固地掌握在歐洲幾大廠商手中[2]。在國內(nèi)， DALI主要用于大型建筑的調(diào)光控制，例如國家大劇院、深圳機場[3]等。而對于中小型場所，由于DALI設(shè)備價格不菲等原因，一直沒有得到廣泛應(yīng)用。鑒于此，本文提出了一種適用于中小場所的DALI調(diào)光控制器設(shè)計方案。

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)所要求的簡單、可靠、數(shù)字化的要求，為用戶提供了一個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)單元由一個主控制器(作為Master)和64個獨立尋址的從設(shè)備(作為Slave)組成。從設(shè)備可分屬16個組，因此每個DALI基本單元可設(shè)置16 種照明場景。 DALI系統(tǒng)支持點播、組播和廣播控制方式，同時還具有淡光、對數(shù)調(diào)光、照明背景和照明故障檢測等控制功能。 DALI采用的是雙線差分驅(qū)動，當(dāng)壓差大于9.5 V時為高電平，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個起始位， 8個地址位， 8個數(shù)據(jù)位和2個停止位；后向幀由從設(shè)備到主控制器，由11位組成， 1個起始位， 8個數(shù)據(jù)位， 2個停止位。傳輸速率均為1 200 bits/s。

2 主控制器的硬件設(shè)計

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，有32個可編程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)簡單，主要由按鍵、時鐘電路、紅外發(fā)射接收電路、DALI接口電路、亮度檢測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二進制碼，前16 bit是遙控器辨識碼，

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。這兩個部分的后8 bit都是前8 bit的反碼，用作數(shù)據(jù)校驗。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)鍵盤按下長達108 ms時，發(fā)射端開始發(fā)送連續(xù)信號，與單次發(fā)送一樣，只是header信號是由9 ms的間隔加2.5 ms的脈沖組成的。遙控器共有32個按鍵，可實現(xiàn)對DALI從設(shè)備的開/關(guān)、點播調(diào)光、分組調(diào)光、場景切換，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，簡化了接收電路。利用MEGA16的16 bit時鐘單元T/C1的捕獲中斷功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，軟件設(shè)計更加簡潔。

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，需要對其進行電平軟換。DALI發(fā)送/接收電路用來實現(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)送電路主要由一個控制電源開關(guān)的中功率三極管Q3和調(diào)節(jié)Q3開關(guān)狀態(tài)的兩個小功率三極管Q1、Q2組成。 Q1由單片機通過反相器IC1來控制。當(dāng)PA5輸出為低電平，經(jīng)過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，起保護作用，當(dāng)DALI總線上電流超過250 mA時， 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Q2恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。 DALI接受電路主要由一個比較器U1，穩(wěn)壓管D1等組成。接收時， 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 定時電路

控制器采用DALLAS公司的DS1302時鐘芯片實現(xiàn)定時功能?？刂破髯疃嗫稍O(shè)置8 個定時時間，并可為每個時間點設(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。通過軟件查詢法，控制器可以在特定時間觸發(fā)操作任務(wù)，實現(xiàn)對DALI從設(shè)備開/關(guān)、調(diào)光、場景切換等操作。

2.4 光照度測量電路

采用美國微型半導(dǎo)體(Microsem i)公司推出的能實現(xiàn)人眼仿真的集成化可見光亮度傳感器LX1970作為測量單元。 LX1970內(nèi)含PIN型光電二極管、高增益放大器和兩個互補式電流輸出端，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，并將接收到的可見光轉(zhuǎn)換成電流信號，進而實現(xiàn)對亮度的控制。 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]?？刂破鞯墓庹斩葴y量電路如圖5所示。

圖5 光照度測量電路

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)時間并濾除50 Hz電網(wǎng)干擾。設(shè)計中， LX1970 采用5 V供電，假定需用0.5 V-1.5 V的輸出電壓來驅(qū)動控制器， 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)來計算R2的值。設(shè)計中，實測最大亮度時ISRCMAX為75 μA。 R2的值可由式(2)計算得到。實際測得，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。

單片機根據(jù)LX 1970的輸出電壓值來確定光照度的變化。當(dāng)電壓值發(fā)生變化，控制器會自動發(fā)送相應(yīng)的調(diào)光指令，使電壓穩(wěn)定在特定值，實現(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)刈詣诱{(diào)節(jié)室內(nèi)燈光強度，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

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)送時間為833.33 μs。

軟件模擬DALI通信接口需要占用一個8 bit的計數(shù)器T/C0、一個普通I/O口和一個帶外部中斷的I/O口。DALI指令的發(fā)送操作比較簡單，只需配置T/C0的中斷周期為416.67 μs(實際采用416 μs)，在對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼、封裝(加起始位和終止位)并通過格式檢測以后，打開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)確性一直是一個難點[8]。傳統(tǒng)的方法是，當(dāng)DALI_RX端口接收到下降沿時產(chǎn)生外部中斷，進而開啟T/C0中斷，中斷周期為416.67 μs。 T/C0每中斷一次，進行一次DALI_RX的端口采樣。這種方法有兩個缺點，一是無法保證采樣的時間點落在DALI信號的穩(wěn)定區(qū)域，采樣時間點有可能處在DALI信號的上升沿或者下降沿，造成指令的接受錯誤；二是很多單片機并不能將計數(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，可以將采集的時間點準(zhǔn)確的鎖定在每個bit的1/4和3/4處(每個?2 bit的中心位置)，克服了傳統(tǒng)方法的缺點，提高了指令接收的準(zhǔn)確度和DALI通信接口的穩(wěn)定性。 DALI指令接收的詳細過程如圖7所示。當(dāng)INT1 第一次中斷產(chǎn)生時， 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bit的中心位置。在下一個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指令的接收過程中，所有的采樣點均落在每個?2 bit的中心位置。所有的采樣點被存儲在緩沖數(shù)組中，通過比較連續(xù)的兩個采樣點數(shù)據(jù)來實現(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INT1中斷產(chǎn)生，以此來判斷接收結(jié)束。

圖7 DALI指令接收詳細過程

3.2 捕獲中斷實現(xiàn)紅外線解碼

本文采用16 bit時鐘單元T/C1 的捕獲中斷來實現(xiàn)紅外線解碼，最大限度的簡化了軟件的編程，解碼過程中無延時程序，提高了單片機的運行效率。

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)生的時間印記。當(dāng)一個輸入捕獲事件發(fā)生使得外部引腳ICPI上的邏輯電平發(fā)生變化時， T/C1的計數(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，系統(tǒng)則進入中斷服務(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)事件進行討論。由于一體化接收頭還原出來的數(shù)據(jù)高、低電位與發(fā)射信號剛好相反，那么一個下降沿到下一個下降沿之間剛好是數(shù)據(jù)頭或者1 bit數(shù)據(jù)的發(fā)送時間，根據(jù)編碼規(guī)則，時間長度所對應(yīng)的信號關(guān)系如下：

數(shù)據(jù)頭的時間：Th=9+4.5 =13.5 ms

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

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

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

圖8 T/C1捕獲中斷服務(wù)程序

4 測試結(jié)果

為了驗證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)，對控制器進行了測試。DALI指令信息采用串口調(diào)試工具 ComTools進行發(fā)送，當(dāng)ComTools發(fā)送數(shù)據(jù)0xFE 0x97時，數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器的處理，在DALI輸出接口輸出了滿足DALI協(xié)議時序和電平標(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)送詢問指令后， DALI電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)答指令0xFF的波形。在實測過程中， DALI通信穩(wěn)定可靠，通信成功率在99%以上?？刂破鬏斎腚妷簽?6 V DC，空載狀態(tài)下功耗僅為1.6 W(無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

測試表明，控制器性能穩(wěn)定、可靠，可以實現(xiàn)對DALI終端設(shè)備的準(zhǔn)確控制。而且， 控制器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，特別是改進后的DALI通信接口的軟件模擬方法，在實際測試中表現(xiàn)良好，可以方便的移植到其他單片機上。該控制器方案簡便、實用，可以進一步推廣應(yīng)用。

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