王鵬鵬 劉振興 鄧 潔

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

1 引言

照明智能化和照明節(jié)能已逐步成為智能建筑和綠色建筑中的一項(xiàng)重要要求［1～2］。人們對(duì)照明智能化和照明節(jié)能投入越來(lái)越多的關(guān)注。常用的家用和商用照明設(shè)備有白熾燈、熒光燈和LED等。白熾燈壽命較短，且對(duì)白熾燈調(diào)光的幾種主要方式各有其缺陷［3～4］;用串聯(lián)電阻的方式調(diào)光無(wú)法節(jié)能，用變壓器調(diào)光成本較高，用雙向晶閘管易干擾電力線載波通信，不適宜用于樓宇智能照明系統(tǒng)。LED照明在國(guó)內(nèi)還未普及。通過(guò)控制電子鎮(zhèn)流器來(lái)對(duì)熒光燈調(diào)光，節(jié)能效果明顯，所以基于DALI協(xié)議的調(diào)光方案研究是有積極意義的。由于DALI協(xié)議主要是覆蓋鎮(zhèn)流器的電氣特性，而鎮(zhèn)流器的控制命令和狀態(tài)信息，并沒(méi)有涉及與其他控制系統(tǒng)互連的規(guī)定，且1個(gè)控制單元只能最多控制64個(gè)鎮(zhèn)流器［5～6］。目前，DALI總線照明系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)互連大都采用基于RS-232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而由于受到RS-232通訊距離和控制數(shù)量的影響，使其控制的范圍受到影響，給整個(gè)建筑物的智能照明控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)不便。為解決這一問(wèn)題，采用了基于RS-485的通訊協(xié)議的DALI總線照明控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2 DALI簡(jiǎn)介

DALI采用的是雙線差分驅(qū)動(dòng)，當(dāng)兩線電壓差值在9.5V～22.5V之間時(shí)為高電平，在 －4.5V～4.5V之間時(shí)為低電平。低電平的標(biāo)準(zhǔn)值為0V，高電平的標(biāo)準(zhǔn)值為16V。DALI協(xié)議規(guī)定系統(tǒng)總線上的電流不能超過(guò)250mA，每個(gè)鎮(zhèn)流器消耗的電流不超過(guò)2mA。DALI物理層信號(hào)采用曼切斯特編碼，規(guī)定下降沿表示邏輯“0”，上升沿表示邏輯“l(fā)”。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀分為兩類:正向幀和反向幀。正向幀的傳輸方向是從DALI控制器到電子鎮(zhèn)流器，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;反向幀由電子鎮(zhèn)流器到DALI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［7］。

3 基于RS-485的智能照明系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)照明控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)基本結(jié)構(gòu)為兩層的總線型網(wǎng)絡(luò)，下層為常規(guī)的DALI照明系統(tǒng)，該層網(wǎng)絡(luò)的主要功能是完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制;上層是采用RS-485協(xié)議的總線的管理網(wǎng)絡(luò)，該層網(wǎng)絡(luò)的主要功能是完成PC機(jī)對(duì)各DALI控制器之間的數(shù)據(jù)傳送。采用485協(xié)議與232協(xié)議相比可以增加信號(hào)的傳輸距離，從而可以控制更多的DALI設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)包括PC機(jī)、RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器、DALI控制器、RS-485總線、DALI電子鎮(zhèn)流器和DALI總線構(gòu)成。PC機(jī)通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器與RS-485總線相連接，多臺(tái)控制器掛在RS485總線上，DALI控制器與DALI電子鎮(zhèn)流器用DALI控制總線相連。

圖1 照明控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 DALI控制器的設(shè)計(jì)

控制器包括MCU、DALI接口模塊、RS-485接口模塊、撥碼電路模塊和相應(yīng)的單片機(jī)外圍電路，結(jié)構(gòu)如圖2。其主要功能是響應(yīng)用戶的操作，發(fā)送DALI指令控制鎮(zhèn)流器做出相應(yīng)的動(dòng)作，監(jiān)控DALI電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)，如對(duì)某一盞燈進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)，以及查詢DALI系統(tǒng)從設(shè)備的工作狀態(tài)。其中撥碼電路是用來(lái)設(shè)置DALI控制器的ID的電路，當(dāng)照明系統(tǒng)中要用到多個(gè)DALI控制器時(shí)，通過(guò)撥碼電路給他們?cè)O(shè)置不同的設(shè)備ID以便PC機(jī)能夠方便準(zhǔn)確的控制下面的每一個(gè)控制器。CPU選用Freescale 的 16 位單片機(jī) MC9S12DG128［8-9］。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)圖

4.1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

首先是DALI接口模塊，此部分包含發(fā)送電路和接收電路，如圖3。主要功能是將單片機(jī)的TTL電平與DALI協(xié)議規(guī)定的電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。

圖3 控制器電路圖

發(fā)送電路中主要包含3個(gè)三極管，其中T1通過(guò)反相器和CPU引腳PE3相連。當(dāng)引腳PE3輸出低電平時(shí)，T1導(dǎo)通，T3截止，DALI+端為0V，所以此時(shí)DALI輸出為0V;當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)，T1截止，T3導(dǎo)通，DALI+端為15V，DALI-端為R7兩端電壓，設(shè)計(jì)時(shí)取R6為390歐R7為2.7歐，所以此時(shí)DALI-端大約為0.1V。R7是一個(gè)限流電阻，因?yàn)槠渥柚篂?.7歐，所以當(dāng)電流大于250mA時(shí)，R7兩端的電壓就能導(dǎo)通Q2，從而使Q3截止，是DALI輸出為0，從而保證了最大電流不大于250mA。

接收電路主要包含一個(gè)電壓比較器LMC7221。當(dāng)DALI接口收到高電平信號(hào)時(shí)，通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生低電平輸出，再經(jīng)反相器作用得到高電平信號(hào)，送至CPU的PE2引腳;當(dāng)接口收到低電平信號(hào)時(shí)，通過(guò)比較器產(chǎn)生高電平信號(hào)，通過(guò)反向器得到低電平信號(hào)，送至CPU。從而實(shí)現(xiàn)DALI信號(hào)轉(zhuǎn)變成TTL信號(hào)。

其次就是撥碼電路，每個(gè)撥碼盤的引腳與單片機(jī)的PA口的8個(gè)引腳相連，單片機(jī)初始化的時(shí)候讀取PA口信息，存入ID變量。PC機(jī)則可通過(guò)此ID來(lái)識(shí)別不同的DALI控制器。

RS-485部分采用MAX483的芯片，用I/O引腳PE5，PE6控制芯片的收發(fā)是使能，分別上拉和下拉，確保其非工作時(shí)間的狀態(tài)為關(guān)閉。接收和發(fā)送分別接單片機(jī)的串口收發(fā)引腳。

4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)選用的控制芯片是MC9S12DG128，此芯片不是DALI專用芯片，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要用I/O口來(lái)模擬DALI的接口。DALI數(shù)據(jù)傳輸速率為 1200 bits/s，每位的傳輸時(shí)間為 833.33μs［10］。軟件模擬DALI通信接口需要占用一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)通用IO和外部中斷IRQ引腳。

DALI指令的發(fā)送操作比較簡(jiǎn)單，只需配置計(jì)數(shù)器的中斷周期為416．67μs(實(shí)際采用416μs)，在對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、封裝 (加起始位和停止位)并通過(guò)格式檢測(cè)以后，打開定時(shí)器中斷，每中斷一次發(fā)送1/2位的數(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。程序流程圖見圖4所示。

圖4 控制器程序流程圖

相比于發(fā)送，準(zhǔn)確的接收DALI信號(hào)一直是一個(gè)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用如下的方法接收DALI指令，當(dāng)外部中斷即IRQ中斷第一次中斷產(chǎn)生時(shí)，定時(shí)器的中斷周期被設(shè)置為一個(gè)DALI位時(shí)長(zhǎng) (Tbit)的1/4，既1/4Tbit，當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，在前半個(gè)位的中心位置1/4Tbit處采樣，并且將定時(shí)器的中斷周期設(shè)置為1/2Tbit，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，在IRQ中斷函數(shù)中將定時(shí)器的中斷周期重新設(shè)置為1/4Tbit使定時(shí)器與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)均落在每半個(gè)DALI信號(hào)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)IRQ中斷產(chǎn)生，以此來(lái)判斷接收結(jié)束。此方法可以將采集的時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)確的鎖定在每個(gè)bit位的1/4和3/4處 (每半個(gè)位的中心位置)，提高了指令接收的準(zhǔn)確度和DALI通信接口的穩(wěn)定性。

5 DALI鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

5.1 鎮(zhèn)流器的硬件設(shè)計(jì)

DALI鎮(zhèn)流器也是采用MC9S12DG128單片機(jī)作為主控芯片，主要包含2個(gè)模塊:DALI接口模塊、調(diào)光模塊。還有關(guān)于整流，無(wú)功補(bǔ)償部分的電路就不詳細(xì)介紹了。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鎮(zhèn)流器電路圖

DALI接口模塊采用光耦來(lái)進(jìn)行信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換，分為接收和發(fā)送兩部分。在接收時(shí)，當(dāng)總線上為高電平時(shí)，光耦U1導(dǎo)通，反相器輸入端被拉低，輸出為高電平，當(dāng)總線上為低電平時(shí)，U1截止，反相器輸入端被拉高，輸出為低電平。在發(fā)送時(shí)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為高電平時(shí)，光耦U2截止，DALI+被上拉為高電平，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，光耦U2導(dǎo)通，DALI+被拉到與DALI-同電壓，輸出為低。

調(diào)光模塊主要采用了IR21592芯片來(lái)控制半橋逆變電路［11］。單片機(jī)通過(guò)控制IR21592的DIM引腳的電壓來(lái)控制其HO和LO引腳的輸出，從而控制燈管的亮度。單片機(jī)的引腳PA0與IR21592的SD引腳相連，用來(lái)控制IR21592芯片的開關(guān)。單片機(jī)可以通過(guò)讀取 IR21592的FMIN引腳狀態(tài)來(lái)判斷IR21592的狀態(tài)，如果 FMIN為低電平，則說(shuō)明IR2159芯片處在關(guān)閉狀態(tài);FMIN為高電平，則說(shuō)明其工作正常。單片機(jī)通過(guò)PA2腳來(lái)判斷燈管的狀態(tài)，正常時(shí)PA2讀到的應(yīng)該是低電平，因?yàn)闊艄苷r(shí)，其燈絲的阻值很低，PA2相當(dāng)于通過(guò)燈絲直接與地相連;當(dāng)燈管損壞時(shí)，燈絲相當(dāng)于開路，PA2讀到的是穩(wěn)壓管D4上的電壓為高電平。

5.2 鎮(zhèn)流器的軟件設(shè)計(jì)

鎮(zhèn)流器的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)DALI數(shù)據(jù)的接收，流程圖見圖6。接收思路與DALI控制器的思路相同，首先是當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)觸發(fā)IRQ中斷，在IRQ中斷中，設(shè)置定時(shí)器的中短周期，并使能定時(shí)器中斷。定時(shí)器時(shí)間到讀取DALI數(shù)據(jù)，并重新設(shè)置定時(shí)器，準(zhǔn)備讀取后半位數(shù)據(jù)。當(dāng)在定時(shí)器中斷中連續(xù)6次讀到DALI數(shù)據(jù)為高電平時(shí)表明數(shù)據(jù)接收結(jié)束，這時(shí)候?qū)⑹盏降恼麕珼ALI數(shù)據(jù)解碼判斷是否是發(fā)給本機(jī)的數(shù)據(jù)，是則存入緩存，不是則丟棄。在主程序中主要是不斷查詢有沒(méi)有收到新的指令和查詢鎮(zhèn)流器和燈的狀態(tài)。

圖6 鎮(zhèn)流器程序流程圖

6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采用VC++進(jìn)行上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，界面如圖7所示主要用到了一個(gè)串口控件，本軟件每一幀數(shù)據(jù)包含三個(gè)具體的信息，控制器ID，每個(gè)DALI控制器的設(shè)備號(hào)，使RS-485總線上的DALI控制器能夠識(shí)別PC發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)是給哪個(gè)控制器的。鎮(zhèn)流器地址，這是用來(lái)控制電子鎮(zhèn)流器的數(shù)據(jù)，用來(lái)表示DALI數(shù)據(jù)將要傳送給某個(gè)或者某些鎮(zhèn)流器。指令和調(diào)光等等級(jí)是用來(lái)控制鎮(zhèn)流器做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，比如說(shuō)控制某些鎮(zhèn)流器上的燈管開啟，關(guān)閉或者將該燈管的亮度調(diào)到某一個(gè)特定的值，詳細(xì)指令可查詢DALI指令表。

圖7 DALI控制軟件界面

7 DALI控制系統(tǒng)的測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單智能照明系統(tǒng)，一臺(tái)PC兩個(gè)DALI控制器，每臺(tái)DALI控制器控制兩個(gè)鎮(zhèn)流器。使用上位機(jī)軟件分別給DALI控制器發(fā)送各種控制指令和調(diào)光亮度，DALI控制器都能很穩(wěn)定的控制鎮(zhèn)流器做出相應(yīng)的動(dòng)作;在查詢個(gè)鎮(zhèn)流器的狀態(tài)時(shí)也都能收到正確的應(yīng)答信息。經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。

8 結(jié)束語(yǔ)

DALI協(xié)議已成為智能照明的重要協(xié)議，由于它布線簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、靈活性高、價(jià)格低，被世界主要的鎮(zhèn)流器廠商采用。本文在研究DALI協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了調(diào)光系統(tǒng)，達(dá)到了調(diào)節(jié)控制燈光的目的。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已投入市場(chǎng)，在使用中完全能夠達(dá)到客戶要求。

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