基于DALI协议的智能照明系统设计_张开羽

1、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=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。关键词:数字可寻址照明接口(DALI协议,PIC 芯片,智能照明系统中图分类号:TP399收稿日期:2004-04-02;修回日期:2004-06-130 引 言随着社会的进步和生活质量的提高,人们对于照

2、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。

3、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/10,下降沿表示/00,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

4、地址初始化。DALI 指令的第1字节共有以下4种形式:a组地址:结构为/100AAAAS 0,其中/AAAA 0用来具体标识每组照明设备,表示范围016。b个体地址:结构为/0AAAAAAS 0,其中/AAAAAA 0用来具体标识每个照明设备,表示范围063。c广播地址:结构为/1111111S 0。d专用命令第1字节:结构为/101CCC C10,其中/CC CC 0用来标识不同的专用命令。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:a使用计算机控

5、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。b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:a集中控制:主控制器发送命令集中控制各照明设备。b单独控制:实现对每盏照明设备的启动、关断、调光、状态监控。c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。d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#76#第30卷第9期2004年9月 电子工

6、程师ELEC TRONIC E NGINEER Vol.30No.9 Sep.2004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C MOS 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PW M 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

7、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,系统结构如图1 所示。图1 系统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。3.1.1 DALI 接口DALI 接口主要实现以下功能。1DALI 电平标准到C MOS 电平标准的转换DALI 电平标准规定:发送端认为在- 4.5V +

8、4.5V 之间的信号表示逻辑/00,11.5V20.5V 之间的信号表示逻辑/10;接收端则认为在- 6.5V+6.5V 之间的信号表示逻辑/00,9.5V22.5V 之间的信号表示逻辑/10。这与C MOS 电平标准不同。除电平转换功能外,DALI 电路还要具备限制DALI 总线上流过的最大电流的能力。DALI 协议规定系统总线上的的电流不能超过250m A 。系统的DALI 接口电路如图2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CP U 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

9、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 。图2 DALI 接口电路2数据的接收、解码主控制器使用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/00作为起始位,两个非编码的高电平作为结束标志。格式

10、如图3 所示。图3 接收数据结构#77#第30卷第9期 张开羽,等:基于DALI 协议的智能照明系统设计 #电子技术应用#DALI 系统使用两条信号线传输数据,两条信号线上的电压差表示逻辑/00和逻辑/10,在总线上没有信号时两条信号线之间保持高电压差。收到数据帧时电压差降低半个周期,随后升高半个周期(数据帧起始位/00,用低电平到高电平的跳变表示。信号线上的电压变化引起系统中断,中断处理完成有效性检验(起始位、结束位是否正常、数据解封装(去掉起始位、结束位、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

11、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RC _DATA(地址0X198中,如果接收过程发生数据异常,则清空寄存器RC_DATA 。函数流程如图4 所示。图4 数据接收处理流程3数据的编码、发送主控制器发送双字节数据,结构如图5 所示。图5 发送数据结构发送前,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0X1990X19C。每位目标数据发送的保持时间为417ms 。3.1.2 控制、显示模块主控制器的控制、显示模块实现主控制器上的

12、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、S1(连接RB0,实现在同级菜单之间切换的功能、S2(连接RA4,实现进入子菜单或/确定0功能、S3(连接RA5,实现返回上一级菜单的功能。菜单之间的转换如图6 所示。图6 菜单树#78#电子技术应用# 电子工程师 2004年9月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I NT中断,唤醒系统进入菜单控制操作。3.1.3RS-232模块系统与计算机之间使用RS

13、-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。RS-232电平标准与C MOS的电平标准不同,所以RS-232接口电路与PIC16F877之间使用MAX232芯片做电平转换。主控制器使用PIC16F877芯片的RC6(TXD、RC7 (RXD端口以及寄存器TXSTA、RCSTA、TXREG、RCREG、SPBRG实现RS-232通信功能。通过设定寄存器SPB RG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=f osc16(X+1式中:f osc

14、为系统时钟频率,X为寄存器SPBRG中设定的初始值。系统外接频率为3.6864MHz的石英晶体,通过改变SPB RG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RCRE G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:标准命令:G+(命令码+(地址专用命令:S+(命令码控

15、制命令通过计算机的超级终端输入,以/回车0键作为命令输入结束符。主控制器使用通用寄存器COMRE G0COMRE G15(地址为0X1100X11E保存收到的命令。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。3.1.4电源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

16、1命令对照表用户命令码DALI编码说明OFF00H直接关闭照明设备UP101H使用选定的渐变速率点亮设备DOWN102H使用选定的渐变速率熄灭设备UP203H将亮度等级直接提高1级DOWN204H将亮度等级直接降低1级SE T105H将当前亮度设定为最大亮度值RESET20H从机状态值恢复出厂设置SCENE150H删除选定的场景GROUP170H将选定的从机从组中删除C HEC K191H监测从机是否正常工作C HEC K291H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DA

17、LI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00HFFH。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

18、,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C MOS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,PW M信号经过阻容变换电路转换成010V的模拟信号送到UB A2014,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#79#第3

19、0卷第9期张开羽,等:基于DALI协议的智能照明系统设计#电子技术应用#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。参 考 文 献1美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,20022李学海.PIC 单片机实用教程基础篇.北京:北京航空航天大学出版社,20023李学海.PIC 单片机实用教程提高篇.北京:北京航空航天大学出版社,20024窦振中,汪立森.PIC 系列单片机应用设计与实例.北京:北京航空航天大学出版社,1999Design of an Intelligent Lighting System B