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基于DALI 协议的智能照明系统设计

中文摘要:

数字可寻址照明接口(DALI) 协议是目前照明控制领域出现的新一代照明控制协议。文中介绍了DALI 协议的工作原理、系统组成结构及系统设计方法。使用PIC 芯片实现系统的硬件构架,定义了计算机与系统之间进行通信使用的命令编码,设计了系统应用软件和硬件接口驱动程序。

英文摘要：

DALI (digital addressable lighting interface) is a new international standard for lighting control systems. This paper describes the operation principle and design of a DALI system. The paper defines some command codings which are used to make communication between the system and a computer and it also describes how to construct a system based on the PIC MCU , design the application software and drive software for hardware.

0 引言

随着社会的进步和生活质量的提高,人们对于照明设备的要求已经不再满足于简单的开关控制,而需要一种节能、高效、操作灵活的智能照明控制系统。目前常用的照明控制协议有很多种,其中数字可寻址照明接口(DALI) 协议以其开发成本低、系统开发难度小、易于扩展、实用性强等特点,显示出在智能照明控制领域中的强大优势。

1 DALI 协议

DALI 协议是用于照明系统控制的开放式异步串行数字通信协议。DALI 系统采用主从式结构,系统最多可以连接64 个从机单元,每个DALI 从机使用唯一的个体标识地址,该地址在系统初始化时设定,使用过程中根据需求可修改从机的地址从机单元最多可分为16 组(以组地址区分) ,每个从机可以属于几个不同的组,每组设备可以设定16 个场景。主机与从机之间使用两条信号线通信,数据采用曼彻斯特编码方式编码,信号上升沿表示“1”,下降沿表示“0”,通信速率为 1. 2 kbaud/ s。通信过程中主机使用两种不同的数据帧格式:发送帧(主机发送到从机) 和接收帧(从机发送到主机) 。 DALI 协议定义了用于实现系统功能的双字节指令集,指令分为标准指令和专用指令两大类。标准指令的第1 字节为地址字节,用于对DALI 从机的寻址第2 字节为命令字节,用来控制寻址得到的DALI 从机。使用标准指令,主控制器可以实现对DALI 从机的分组控制、调光控制、场景设定等功能。专用命令不包含地址字节,两字节内容都是命令码,使用广播方式发送,主要用来对DALI 系统进行地址初始化。

3. 1 主控器设计

主控制器采用PIC16F877 单片机作为CPU。 PIC16F87X系列单片机是美国Microchip 公司的高性能 8 位CMOS 微处理器。PIC16F877 共有5 个I/ O 端口, 分别是RA、RB、RC、RD、RE ,除了通用I/ O 功能外,这些端口还具有各自不同的专用功能,例如PWM 输出、计数器输入、外部电平中断、I2C 总线接口等。 PIC16F877 的专用寄存器和通用寄存器统一编址,共 368 个8 位宽的RAM单元(有些单元保留未用) 。系统主控制器由DALI 模块、RS2232 模块、显示控制模块、电源组成,系统结构如图1 所示。

3. 2 从机设计

系统中使用DALI 镇流器作为DALI 从机。DALI 镇流器由DALI、镇流器控制两部分组成。本系统使用 PIC16F877 作为DALI 芯片,UBA2104 作为镇流器控制器。PIC16F877 的EEPROM 中保存DALI 镇流器的参数,例如当前光强级别、镇流器上电光强级别、个体地址、搜索地址、随机地址、组标识、场景光强值、状态信息、版本号等。镇流器的各参数在系统初始化时由主控制器设定,镇流器收到初始化命令后,调用EEPROM 写操作,将参数写入EEPROM,运行过程中根据需要可进行修改。PC16F877 的片内EEPROM 共有256 个字节,地址范围00H～FFH。从机的DALI 软件和主机的DALI 软件设计类似。不同之处在于主控制器接收到的DALI 数据是单字节数据,发送的是双数据从机接收到的是双字节数据, 发送的是单字节数据。因此,在软件设计方面,从机的 DALI 和主机的DALI 只在接收和发送的数据位数上有区别。从机DALI 硬件使用光电耦合的方法从DALI 总线上获取数据。光电耦合电路一方面隔离干扰,另一方面将逻辑信号转换为CMOS 电平。镇流器的PIC16F877 芯片接收DALI 传来的数据, 根据命令的不同,选择不同的处理调用(每个命令都有相应的处理程序) 。这些处理程序修改EEPROM 中的从机状态参数,将DALI 控制命令中的亮度等级转换成相应的脉宽调制(PWM) 信号输出,PWM信号经过阻容变换电路转换成0 ～ 10 V 的模拟信号送到 UBA2014 ,控制照明设备亮度。

4 结束语

本文介绍了使用PIC 单片机实现DALI 控制协议的软硬件设计,讨论了如何实现高可靠的智能照明控制,详细分析了DALI 协议的工作原理。

把DALI与DMX512作一下比较,可以更好了解DALI

DALI标准已经定义了一个DALI网络包括最大的64个单元（可独立地址），16个组及16个场景。DALI总线上的不同照明单元可以灵活分组，实现不同场景控制和管理。DALI控制器通常被连接到更高级的设备网络，如以太网，以支持更多的设备和足够的网络带宽。

在国内做DMX512协议的LED灯具比较广泛,对DMX512应该有一定的认识,而DALI的协议,比较陌生,这里可以把DALI与DMX512作一下比较,可以更好了解DALI:

DMX512表现的是动态效果,DALI表示的是静态效果

DMX512只要用于舞台灯光,DALI只要用于室内照明

DMX512是单向通信,DALI是双向通信,可以查询解码器的状态

DMX512协议简单,DALI协议复杂,共有200多条协议,不同的灯具还具有特殊功能的扩展协议,

DMX512采用RS485作为通信总线,DALI采用低压载波方式作为通信总线,总线最大可以提供250mA的电流给DALI设备使用.

DMX512帧结构简单,符合串行通信UART数据结构,普通有UART口的单片即可以实现, DALI帧结构采用曼切斯特码,分前向帧和返回帧,不同帧数据位数不相同,需要采用普通单片机模拟通信.

DMX512波特率250K bit/S,DALI波特率1200 bit/s.

DMX512采用一主多从的结构,最多可以512台从机地址,DALI也是一主多从,最多可以64台从机地址,(DALI也可以实现多主多从结构,具体可以搜索我发表过的<DALI总线系统多主发送的实现>文章)

DMX512总线需要采用差分线材,手拉手总线形结构,最长距离达1.2公里,DALI采用普通的2x1.5mm线材,支持手拉手总线和星形结构,最长距离为300米,并要求最远两端的总线电压降不能超过2V.

DMX512最大刷新率44帧/秒(动态效果),分组,场景,渐变时间等参数都是储存在主机中,主机工作量大,DALI没有刷新率(静态效果),分组,场景,渐变时间等参数都是储存在从机解码器中,在调试完成了,主机可以撤离.

DMX512地址设置为手动方式,DALI地址设置可以手动或由主机自动分配.

DMX512分组数视主机而定,DALI为固定,最多16个组.

DMX512场景数视主机而定,DALI为固定值,最多为16个场景.

DALI最初收录在IEC60929中,只要是针对荧光灯的调光,而2009年6月新的标准IEC62386-xxx发布,共有十几个部分,

里面详细地描述了各种灯具的DALI应用标准.再次使欧洲照明行业欣起了DALI热潮,从原来的室内照明,走向更

多的领域,如洗墙灯,隧道灯等.

LED已逐渐进入各个照明应用领域,适用于DALI控制的应用也进一步扩大.

——引用 某论坛帖子

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