基于DALI协议的智能照明系统设计

基于DALI协议的智能照明系统设计张开羽，刘骊，吕杨（昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南省昆明市650051）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。 0引目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己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。 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*多可以连接64个从机单元，每个DALI从机使用**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*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1.2kbaud/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。DALI指令的第1字节共有以下4种形式：来具体标识每组照明设备，表示范围0~16. DALI系统指令由主控制器发出，从机只在收到询问命令时产生应答信号，从而避免了总线上的信号冲突。 2系统功能本系统设计用于实现基于DALI协议的智能照明控制，可实现的控制方式有如下两种：使用计算机控制照明设备：照明控制系统与计算机之间使用RS"232串行协议通信，使用计算机实现对照明设备的控制。 使用主控制器控制照明设备：主控制器上设有简单的控制按钮和屏幕，通过设计简单的菜单可以实现几种常用的控制功能。 通过使用上述两种控制方式的主控制器，照明设备可以实现以下功能：集中控制：主控制器发送命令集中控制各照明设备。 单独控制：实现对每盏照明设备的启动、关断、调光、状态监控。 分组控制：系统中的照明设备可以属于不同的设备组，每组设备可实现启动、关断、调光控制。 场景控制：通过主控制器命令设定场景，实现场景切换，满足不同的照明控制要求，对每组场景的参数可根据需要修改、保存。 3系统设计系统设计分为主控制器设计和从机设计两部分。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、RS"232模块、显示控制模块、电源组成，系统结构如所示。 半桥U-灯镇流器图i系统结构接收数据结构主控制器采用中断方式处理各种系统功能，使用的中断信号有：RB4端口的外电平变换中断，用来接收DALI信号；RB0端口的INT中断，用来调用显示控制模块；RS"232中断，用来处理RS"232接口获得的数据。 系统主程序首先完成各功能寄存器的初始化工作，然后进入节能的休眠状态，等待中断信号。 接口DALI接口主要实现以下功能。 1）DALI电平标准到CMOS电平标准的转换DALI电平标准规定：发送端认为在-4. +4.5V之间的信号表示逻辑*（T，11.5V~20.5V之间的信号表示逻辑‘1“；接收端则认为在-6.5V~ +6.5V之间的信号表示逻辑”22.5V之间的信号表示逻辑“1”。这与CMOS电平标准不同。除电平转换功能外，DALI电路还要具备限制DALI总线上流过的*大电流的能力。DALI协议规定系统总线上的的电流不能超过250mA.系统的DALI接口电路如所示。 当CPU产生高电平信号时，信号经反相器得到一个低电平，从而使T3截止；T3截止则T1导通，输出端为高电平。当CPU产生低电平信号时，信号经反相器得到一个高电平使T3导通，从而使T1关断，输出为低电平。R1为限流电阻，当DALI总线上的电流超过250mA时，T2导通，从而使T1截止，关闭输出接口。 当DALI接口收到高电平信号时，经电压比较器产生低电平输出，再经反相器作用得到高电平信号送CPU；当接口收到低电平信号时，经比较器产生高电平信号，通过反向器得到低电平信号，送至CPU.主控制器使用PIC16F877的RB4端口接收经接口电平转换的数据信号，该端口具有在引脚外接电平发生变化时引发系统中断处理的功能。 DALI系统中主控制器接收到的数据帧包含DALI从机的各种状态。数据以逻辑*CT作为起始位，两个非编码的高电平作为结束标志。格式如所示。 线信电位电始束DALI系统使用两条信号线传输数据，两条信号上的电压差表示逻辑“（T和逻辑”1*，在总线上没有号时两条信号线之间保持高电压差。收到数据帧时压差降低半个周期，随后升高半个周期（数据帧起始压变化引起系统中断，中断处理完成有效性检验（走位、结束位是否正常）、数据解封装（去掉起始位、结位）、提取DALI数据（对数据流解码得到）。 DALI协议的传输速率为1.2kbaud/s，信号周期为833ms，主控制器每个周期对总线采样2次，采样延时间隔为T/2= 417ms，采样误差为0. 08%，延时间隔通过软件实现。数据接收函数使用曼彻斯特编码规则对收到的数据流解码，得到DALI数据，数据保存在寄存器RCDATA（地址0X198）中，如果接收过程发生数据异常，则清空寄存器RCDATA.函数流程如所示。 数据接收处理流程发送数据结构功能）、2（连接RA4，实现进入子菜单或“确定”功能）、S3（连接RA5，实现返回上一级菜单的功能）。菜单之间的转换如所示。 发送前，首先按照曼彻斯特编码规则将数据转换成待发送目标数据，放在发送缓冲区中（地址位0X199 ~0X19C）。每位目标数据发送的保持时间为417ms. 1.2控制、显块主控制器的控制、显示模块实现主控制器上的LCD菜单控制。实现的控制功能包括组设备启动、关闭，设备亮度调整，单个设备启动、关闭、场景转换。 通过控制按钮进入不同的控制分支。主控制器使用4个控制按钮，分别是：Reset（连接PIC16F877的系统重启端）、1（连接RB0，实现在同级菜单之间切换的本文介绍了使用PIC单片机实现DALI控制协议主控制器通常运行于休眠状态，当需要进行菜单控制时，使用RB0引脚的INT中断，唤醒系统进入菜单控制操作。 232模块系统与计算机之间使用RS"232串行协议通信，通过计算机的超级终端输入照明控制命令。输入的命令在主控制器上进行译码，产生相应的DALI控制信号，主控制器将这些控制信号传送给从机设置从机参数，控制照明系统。 做电平转换。 口以及寄存器TXSTA、RCSTA、TXREG、RCREG、SPBRG实现RS"232通信功能。通过设定寄存器SPBRG的值决定传输速率。传输速率计算公式为（选择高速通信）：传输速率=16（X+1）6864MHz的石英晶体，通过改变SPBRG的初始值，可准确产生传输速率（单位为kbaud/s）为：1. 2、2.4、9.6、19.2、28.8、57.6.配置寄存器RCSTA选择使用10、11位帧格式。寄存器RCREG为接收寄存器，用来保存接收到的数据，当收到的数据装满RCREG时产生中断请求。本系统使用的RS"232传输速率为9.6kbaud/s、数据格式为不带奇偶校验位的8位数据。 为了实现通过计算机控制系统的目的，制定了一套在计算机上使用的用户命令格式，如下所示：（命令码）+（地址）（命令码）控制命令通过计算机的超级终端输入，以“回车” 键作为命令输入结束符。主控制器使用通用寄存器COMREG0~COMREG15（地址为收到的命令。命令处理程序根据收到的命令查表（用户命令码与DALI命令码的对照表）得到用户命令对应的DALI命令码，完成用户命令到DALI命令码的转换，转换得到的DALI命令码由发送模块发送。命令对照表（部分）如表1所示。 电源部分设计考虑到控制器体积限制，决定采用电阻、电容分压连接AC/DC电源变换芯片MAX612的方式提供+5V电压输出，输出电压再经过由MAX629构成的升压电路，提供+12V、16V的电源输出，满足系统供电需要。 表i命令对照表用户命令码DALI编码说明直接关闭照明设备使用选定的渐变速率点亮设备使用选定的渐变速率熄灭设备将亮度等级直接提高1级将亮度等级直接降低1级将当前亮度设定为*大亮度值从机状态值恢复出厂设置删除选定的场景将选定的从机从组中删除监测从机是否正常工作监测照明设备是否工作正常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EEPR0M写操作，将参数写入EEPR0M，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。 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~ 10V的模拟信号送到UBA2014，控制照明设备亮度。 4结束语的软硬件设计，讨论了如何实现高可靠的智能照明控制，详细分析了DAL微芯科技股份有限公司。PIC单片机宏汇编与集成开发环境。石朝林，译。北京：清华大学出版社，2002李学海。PIC单片机实用教程基础篇。