數(shù)字可尋址照明接口技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)介紹

商業(yè)建筑中照明系統(tǒng)的有線控制技術(shù)是當(dāng)今的主流技術(shù)，并會(huì)在未來(lái)多年繼續(xù)占主導(dǎo)地位，盡管無(wú)線通訊技術(shù)的使用在不斷增長(zhǎng)。 這是 IMS Research 最近的研究報(bào)告得出的結(jié)論之一，該機(jī)構(gòu)還預(yù)測(cè)數(shù)字可尋址照明接口 （DALI） 技術(shù)將是照明系統(tǒng)中應(yīng)用最多的控制協(xié)議，并且預(yù)計(jì)制造商們將在2010 至 2017 年報(bào)告期間供應(yīng) 9 千多萬(wàn)套設(shè)備。

DALI 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)控制器和一個(gè)或多個(gè)照明器件組成。 這些器件可以是鎮(zhèn)流器電路、開(kāi)關(guān)和調(diào)光器，但持續(xù)增長(zhǎng)的器件將會(huì)是用于自動(dòng)照明控制且有助于降低能耗的人體感應(yīng)、環(huán)境控制傳感器。 IEC 62386 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 DALI 協(xié)議，但 DALI 本身是一個(gè)由領(lǐng)先制造商和各種機(jī)構(gòu)組成的工作組，旨在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展，使其成為交互式照明控制的技術(shù)保障。

本文將介紹作為有線照明接口的 DALI 的起源，進(jìn)而讓您了解其工作原理、應(yīng)用場(chǎng)所及優(yōu)勢(shì)。 盡管 DALI 能簡(jiǎn)化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但實(shí)現(xiàn)一個(gè)合乎規(guī)范的接口在最初階段是一件令人頭疼的事，無(wú)論在通訊協(xié)議還是滿足規(guī)定的信號(hào)發(fā)送電平方面。 微控制器 （MCU） 似乎能為控制數(shù)據(jù)的編碼和格式化提供一種顯而易見(jiàn)的解決方案，并且即使在最基本的照明器件中也能做到高性價(jià)比。 然而，MCU 通常在不超過(guò) 5 V 的電源下工作，由此帶來(lái)的挑戰(zhàn)是將邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為更高的 DAIL 電平（-6.5 V 至 22.5 V）。

很明顯，如果有人能提供更專門的適合 DALI 應(yīng)用的解決方案，將會(huì)受到光源和控制器件設(shè)計(jì)人員的歡迎。 幸運(yùn)的是，STMicroelectronics （ST） 已在其制造的 ST7 8 位微控制器系列中，作為片載外設(shè)之一增加了一個(gè) DALI 通訊接口。 除了支持 DALI 的 ST7DALIF2 MCU 外，ST 還提供支持 DALI 應(yīng)用的評(píng)估平臺(tái)，該平臺(tái)包括一個(gè)硬件模塊設(shè)計(jì) ，能達(dá)到正確連接 DALI 網(wǎng)絡(luò)所需的電壓水平和其他條件。 稍后將介紹這種助于進(jìn)一步解釋 DALI 工作原理的解決方案。

什么是 DALI？

數(shù)字可尋址照明接口 （DALI） 被認(rèn)為是能夠讓商業(yè)照明領(lǐng)域擺脫進(jìn)退兩難境地的技術(shù)，因?yàn)樵擃I(lǐng)域存在由于總線系統(tǒng)發(fā)展而使房間照明控制變得更加復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)。 這種方法本身就是對(duì)要求更多樣化控制的一種響應(yīng)。 這種方法已經(jīng)幫助我們克服了硬線開(kāi)關(guān)和模擬信號(hào)發(fā)送的局限性，如 0 - 10 V 調(diào)光控制的各種限制。 然而，作為控制供熱、通風(fēng)、空調(diào)和遮擋以及照明的建筑管理系統(tǒng)，如 EIB 或者 LON 等總線系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟。 因此，這些解決方案擁有的高水平功能即意味著高昂的價(jià)格也就不足為奇了，不僅包含元件成本，而且還有費(fèi)時(shí)費(fèi)力的安裝費(fèi)用。

DALI 于是成為一種迫切需要的折中方法；在使建筑管理系統(tǒng)更加完善的同時(shí)，為房間模擬照明控制提供了一種靈活的智能化替代方案，因?yàn)?DALI 可作為一個(gè)子系統(tǒng)集成到綜合型更強(qiáng)的 BMS 設(shè)計(jì)中。 讓 DALI 真正生勝出的是它能提供一種標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，以保證來(lái)自不同制造商的產(chǎn)品具有兼容性。 這不僅能讓照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更靈活地選擇照明元件，而且還能簡(jiǎn)化安裝過(guò)程，因?yàn)闊o(wú)需去滿足數(shù)據(jù)電纜的特殊連接要求。 而且，業(yè)主能通過(guò)對(duì)其照明系統(tǒng)進(jìn)行改造或者擴(kuò)展來(lái)適應(yīng)未來(lái)需要，并明白將來(lái)隨時(shí)能找到兼容的照明和控制設(shè)備。 最后，從最初為適應(yīng)更廣闊的市場(chǎng)進(jìn)行較大規(guī)模生產(chǎn)制造，以降低設(shè)備價(jià)格，到由于承包商熟悉符合 DALI 要求的元件及通用接口，因此實(shí)現(xiàn)更短的安裝時(shí)間，所有這些優(yōu)勢(shì)都確保標(biāo)準(zhǔn)化解決方案能實(shí)現(xiàn)成本效益。

圖 1：采用混合光源的典型報(bào)告廳。

DALI 標(biāo)準(zhǔn)由 DALI AG 負(fù)責(zé)制定。這是一個(gè)目前有著 60 多個(gè)會(huì)員的工作組，其會(huì)員都是數(shù)字照明控制領(lǐng)域的權(quán)威制造商和機(jī)構(gòu)。 IEC 60929 是該標(biāo)準(zhǔn)的第一版，主要規(guī)定了在使用可調(diào)光熒光燈鎮(zhèn)流器情況下的接口，以確保不同制造商的鎮(zhèn)流器可互換使用。 IEC 60929 將在 2014 年撤銷并由 IEC 62386 替代。在新標(biāo)準(zhǔn)中，將 DALI 規(guī)定為適用于所有光源和照明控制器的一個(gè)單一接口，同時(shí)還包括相關(guān)元件，如變壓器、繼電器模塊、傳感器和應(yīng)急照明。 所以，DALI 取代了以前的 0-10 V 照明控制系統(tǒng)，并成為數(shù)字信號(hào)接口 （DSI） 的開(kāi)放式替代標(biāo)準(zhǔn)，從而在交互操作、狀態(tài)反饋和高級(jí)控制方面確立了優(yōu)勢(shì)。 DALI 作為一個(gè)機(jī)構(gòu)，在創(chuàng)造各種機(jī)會(huì)以及推動(dòng)采用 DALI 商標(biāo)的合規(guī)產(chǎn)品的兼容性方面代表了其會(huì)員利益，這保證了采用不同來(lái)源產(chǎn)品的終端用戶的供給安全。

DALI 工作方式？

DALI 采用兩線式接口，能在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中完成多達(dá) 64 個(gè)設(shè)備之間的通訊，而這么多設(shè)備既可以布置在一條總線上，也可以采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 如需要，DALI 網(wǎng)關(guān)還允許通過(guò)將多個(gè)子系統(tǒng)連接在一起，對(duì)更多的設(shè)備執(zhí)行尋址。 信號(hào)發(fā)送以標(biāo)稱電平為 0 V 和 16 V 的數(shù)字方式完成（實(shí)際為 -6.5 V 和 +22.5 V，因每個(gè)邏輯電平均為 ±6.5 V），并采用異步半雙工串行協(xié)議，以 1200 位/秒的速率傳輸數(shù)據(jù)。 在使用差分信號(hào)時(shí)結(jié)合了曼徹斯特編碼，因此即使在電子噪聲顯著的情況下也能確保運(yùn)行可靠，從而能讓 DALI 布線沿電源電纜進(jìn)行，或者甚至能與電源采用同一根多芯電纜。 通過(guò)在低壓下運(yùn)行，無(wú)需再滿足更多的鎮(zhèn)流器安全絕緣要求（盡管要求網(wǎng)絡(luò)電纜應(yīng)達(dá)到電源等級(jí)），并且接口中所用的二極管電橋讓用戶再也不用擔(dān)心任何連接極性問(wèn)題。 因電纜走線的最大規(guī)定長(zhǎng)度為 300 m，從而保證了在基于 1.5 mm2 橫截面導(dǎo)線的網(wǎng)絡(luò)中，控制器和最后一個(gè)設(shè)備之間的壓降不會(huì)超過(guò) 2 V。

DALI 的設(shè)備已被指定了地址，與其他設(shè)置值一起存儲(chǔ)在設(shè)備中。 每個(gè)設(shè)備均能被單獨(dú)或者作為一個(gè)分組設(shè)備中的一部分來(lái)尋址，每個(gè)設(shè)備可作為任何一個(gè)分組中的一部分（最多 16 個(gè)分組）。 這樣，就能在房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同燈光的設(shè)想，根據(jù)不同情況或者標(biāo)準(zhǔn)中指定的“場(chǎng)景”進(jìn)行控制。 例如，房間中所有的燈可以屬于一個(gè)分組中的一部分，并能在單條指令控制下達(dá)到最大輸出。 第二個(gè)分組則可以是所有壁燈，第三個(gè)分組可以是會(huì)議室前部的所有筒燈，而其余的頂燈則屬于第四個(gè)分組。 這種分組方式下的預(yù)設(shè)定場(chǎng)景可以是“演示模式”，即前部的筒燈亮，壁燈調(diào)暗至 50%，其余頂燈則關(guān)閉（如圖 1 所示），而當(dāng)有人進(jìn)入或者離開(kāi)房間時(shí)，所有的燈全亮。 為進(jìn)一步簡(jiǎn)化這種配置，每個(gè)設(shè)備也可存儲(chǔ)多達(dá) 16 個(gè)場(chǎng)景所需的調(diào)光設(shè)置值。 各個(gè)設(shè)備也能報(bào)告其狀態(tài)，因此一個(gè)控制器就可以監(jiān)控這些設(shè)備，例如燈光亮度級(jí)或者運(yùn)動(dòng)傳感器，并檢測(cè)故障燈泡。

實(shí)現(xiàn) DALI 接口

如在介紹中所述，一個(gè)簡(jiǎn)單的、帶有一些基本片載外設(shè)的低成本微控制器便能輕松執(zhí)行 DALI 通訊協(xié)議，采用串行數(shù)據(jù)流方式發(fā)送、接收地址、控制信號(hào)，存儲(chǔ)并響應(yīng)所有的場(chǎng)景設(shè)定指令。 即使是曼徹斯特編碼，也能通過(guò)通用輸入/輸出 （GPIO） 端口以及一個(gè)用于時(shí)鐘恢復(fù)的模擬比較器完成。 在 DALI 所用的不太高的數(shù)據(jù)速率下，這種情況當(dāng)然不會(huì)使現(xiàn)代 MCU 在性能方面不堪重負(fù)。 不過(guò)，ST 的 ST7DALIF2 8 位 MCU 集成了片載 DALI 通訊接口，是一款極具吸引力的產(chǎn)品，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，加快了產(chǎn)品面市速度，又保證了一個(gè)合乎規(guī)范的解決方案。

ST7DALIF2 屬于 ST7 微控制器系列，其性能得益于一個(gè)通用架構(gòu)。這種架構(gòu)采用運(yùn)行速度高達(dá) 8 MHz 的 8 位核心處理器、標(biāo)準(zhǔn)閃存編程存儲(chǔ)器、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RAM 以及一組外設(shè)，具體包括計(jì)時(shí)器、I/O 端口（含 SPI）、采用固定增益運(yùn)算放大器的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 該器件工作電壓為 2.4 - 5.5 V，具有當(dāng)應(yīng)用待機(jī)或者空載時(shí)所需的、全部有用的節(jié)能模式。 采用不同的封裝，可提供多達(dá) 15 個(gè) I/O 引腳。

ST7DALIF2 與其它 ST7 系列器件的明顯區(qū)別是其片載 DALI 通訊模塊 （DCM），如圖 2 內(nèi)部框圖右下角所示。

圖 2：ST 的 ST7DALIF2 DALI 微控制器的頂層框圖。

參照 DALI 的內(nèi)部框圖（圖 3）及其標(biāo)準(zhǔn)幀格式（圖 4），我們能很好地了解 ADLI 通訊模塊 （DCM） 的功能。 該模塊工作時(shí)不可或缺的器件是用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、控制、控制/狀態(tài)信息的各種寄存器。 寄存器 DCMCLK 用于按照 DALI 數(shù)據(jù)速率調(diào)整設(shè)備時(shí)鐘，DCMFA 提供正向幀地址，并結(jié)合來(lái)自 DCMFD 的正向數(shù)據(jù)，再加上必要的終止和起始位后形成一個(gè)正向（即轉(zhuǎn)發(fā)）幀。 DCMBD 接收來(lái)自反向幀的數(shù)據(jù)，而 DCMCR 和 DCMCSR 則用于保持控制和狀態(tài)設(shè)定值。

圖 3：DALI 通訊模塊 （DCM） 的內(nèi)部框圖。

圖 4：DALI 標(biāo)準(zhǔn)正向和反向幀、雙相位信號(hào)發(fā)送電平。

ST7DALIF2 MCU 僅在 MCU 邏輯電平下支持 DALI 信號(hào)。 不過(guò)，ST 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出 STEVAL-ILMOO1V1，作為與其 STM8S-DISCOVERY 套件配合使用的硬件評(píng)估模塊，該套件用作該評(píng)估模塊的主板，并附送 DALI 軟件庫(kù)。 該硬件模塊能將 MCU 邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為上升、下降時(shí)間均正確的 DALI 全電壓電平，同時(shí)具有過(guò)壓保護(hù)功能，以防止電源電壓與 DALI 導(dǎo)線誤接。 該模塊如圖 5 所示，其電路原理簡(jiǎn)圖如圖 6 所示。

雖然目的是讓用戶更多地了解 DALI 及其功能，但是該模塊提供了完整的 DALI 工作解決方案，可以連接任何 DALI 網(wǎng)絡(luò)并由其控制。 由此可知，該模塊可作為插接式接口用在最終設(shè)備中，而且同樣能提供參考設(shè)計(jì)，讓照明設(shè)計(jì)人員直接用在他們的設(shè)計(jì)中。 實(shí)際上，ST 還在 STEVAL-ILMOO1V1 模塊的用戶手冊(cè)中提供了 PCB 布局以及完整的原理圖。

圖 5：用于接口電平轉(zhuǎn)換的 ST STEVAL-ILMOO1V1 插接式 DALI 模塊。

圖 6：STEVAL-ILMOO1V1 模塊的電路原理圖。

總結(jié)

從傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)面板，到利用建筑管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的高端技術(shù)，在商業(yè)建筑照明控制領(lǐng)域有許多潛在的解決方案。 針對(duì)避免專門接線以及實(shí)現(xiàn)具有調(diào)光、環(huán)境光感測(cè)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)靈活性方面的各種要求，已經(jīng)催生了許多不同的控制策略和總線網(wǎng)絡(luò)解決方案。 不過(guò)，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字接口只在 DALI AG 主持下實(shí)現(xiàn)的。

本文介紹了什么是 DALI 及其工作原理，并特別引用了 STMicroelectronics 提供的解決方案以及支持 DALI 的微控制器和一個(gè)電路設(shè)計(jì)，其中的電路設(shè)計(jì)解決了將 MCU 邏輯電平轉(zhuǎn)換為 DALI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)發(fā)送電壓的問(wèn)題。 DALI 最終實(shí)現(xiàn)的是一種方式：通過(guò)讓各個(gè)制造商提供用戶能在自己的網(wǎng)絡(luò)中放心連接的規(guī)范產(chǎn)品，保證建筑照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)的供給安全。 通過(guò)經(jīng)濟(jì)的制造過(guò)程和簡(jiǎn)化的安裝，這種標(biāo)準(zhǔn)化也能產(chǎn)生成本效益。