基于DALI协议的数字可调光电子镇流器的设计

李春树 潘海军

(湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425100)

基于DALI协议的数字可调光电子镇流器的设计

李春树 潘海军

(湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425100)

数字可寻址调光接口DALI（Digital Addressable Lighting Interface)是目前流行的灯光控制接口标准。在高效、高功率因数的可调光电子镇流器的设计方案中，通过EMI滤波器、有源功率因数校正电路、镇流器控制电路、微控制器和隔离的数字可寻址照明接口（DALI）电路的设计能自动完成灯的预热、触发和灯功率控制，实现了智能控制，充分利用了能源。

数字可寻址照明接口；电子镇流器；数字调光

0 引 言

随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一。在我国的整体用电中，照明用电在能源消耗中占有不小的比重，开发高效节能的照明产品是节约照明用电的重要途径。数字调光电子镇流器作为智能照明系统的执行器，在整个智能照明系统中起着关键的作用。用国际标准的DALI(即Digital Addressable Lighting Interface——数字可寻址照明接口)总线通讯协议控制的电子镇流器取代目前的电感镇流器，将使气体放电灯的综合节能潜力发掘出 20%-30%以上，这无疑将产生极大的社会效益和经济效益。同时它以低成本、高性价比、结构简单清晰、易于处理和允许控制单元适配以后开发的功能，并且可以通过适当的接口集成到建筑物管理系统中。因此数字可调光电子镇流器的研究对实现绿色照明具有重要意义[1-2]。

1 数字可寻址照明接口(DALI)

DALI规范定义了一种恒定电流总线，它的最大电流是250mA，标称电压是16V。每台设备都通过使用光隔离器电路拉低总线电流（汇电流）的方法向总线发送数据。线路可以位于导线管的内部或者外部，而且连接是与极性无关的，这简化了安装人员的操作。所有灯具的线路都使用星型或者菊花链型的连接接在一起，且使用不间断交流电源为每部灯具供电。DALI协议非常简单，但它有一套专门为照明装置设计的强大指令集。数据通过Manchester格式以1200b/s的速率进行传递——该速度足够满足照明装置的应用。基本的协议定义包括单个主设备（控制器）以及多达64台受控设备（镇流器）。主设备发出16位的命令或者请求。镇流器设备可以选择返回8位的响应。只有在控制设备发出请求的情况下，镇流器设备才能够向总线发送数据[3]。除协议之外，DALI还支持光衰减、对数调光、现场实况和故障检测[4]。对于全部照明环境，DALI允许不同的控制和管理。发射指令既可以到达单个镇流器，也可以到达一组镇流器，实现1%～100%的调光范围[5]。通过数字控制，可根据不同的照明需要精密调节光电平。

DALI协议的主要技术指标[6-7]：

(1)异步串行通信协议，使用曼彻码编码，半双工传输，上升沿表示“1”，下降沿表示“0”，信息传输速率1.2Kb/s。

(2)双线差分驱动，DALI通过使用两根导线进行双向串行通信，导线间电压于9.5V时表示高电平，小于6.5V时表示低电平。

(3)由主控单元控制通信，总线上最多可以连接64个从控单元。主控单元通过前向帧传送地址和命令，从控单元通过后向帧反馈应答信息。

(4)在每1帧的持续时间内允许至少4个并行进程。

(5)每个从控单元都同时具有物理地址、组地址和广播地址三种地址并支持这三种寻址模式。全部64个从控单元可分为16个组，一个从控单元可以同时属于几个不同的组，所有的从控单元都对广播地址做出响应。

一个DALI总线系统包括主控单元和从控单元两部分，DALI总线系统示意图如图1所示。

图1 DALI总线系统示意图

2 可调光电子镇流器的设计

一个完整的具有数宁可寻址调光接口的电子镇流器由电磁干扰（EMI）滤波器、功率因数校正、电源稳压、镇流器控制、DALI数字控制接口和振荡输出等部分组成。可调光电子镇流器原理框图如图2所示：

图2 可调光电子镇流器原理框图

2.1 硬件电路设计

EMI滤波器防止镇流器产生噪声。有源功率因数校正用于正弦输入电流和调整DC电压。镇流器控制提供RLC灯管谐振输出电路的频率调制控制、预热、点燃和调光功能。能广泛用于各种类型的荧光灯。微控制器提供DALI通讯指令和软件，实现闭环调光、灯故障检测、掉电自动重启动功能。

调光镇流器控制集成电路用IR2159，微控制器电路采用PIC16F628单片机。IR2159从单片机接收信号控制镇流器。单片机从IR2159中检测诊断信号，通过DALI控制器将检测结果上传到DALI控制器或PC机。

镇流器和DALI控制器通讯用两个信号：TX（从网络发送到单片机的数字串行信号）和RX（从单片机发送到网络的数字串行信号）。数字接口需要保证DALI输入和谐振灯输出级之间电压隔离。单片机管理接口和IR2159之间的通讯。指令输入用RS232/DALI变换器（DALI控制器）连接到PC机或人机控制器。

2.1.1 EMI滤波单元设计

随着各种电子设备的大量使用，电磁干扰(EMI)日益严重已形成一种公害。特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度大(几百伏至几千伏)、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。抑制EMI的技术措施有屏蔽、接地(浮地、单点地和接地网)与滤波。其中，滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的手段。由于各种干扰在系统接口处最为严重，故EMI滤波器均放在系统电源线的入口处。交流电源线的传导干扰包括差模噪声成分和共模噪声成分。为了起到抑制干扰、降低噪声的作用，采用交流线路EMI滤波器(见图2)。EMI滤波器既抑制了来自电网的共模和差模干扰，保证二次侧不出现共模噪声和差模噪声。同时,它对电子镇流器自身产生的电磁干扰也起衰减作用，以保证电网不受污染。为了取得理想的滤波效果，设计中采用两级复合式滤波，两级复合式滤波电路如图3所示。

图3 两级复合式滤波电路

2.1.2 功率因数控制电路（APFC）

当功率因数过低时，使电力供电设备得不到充分利用。电能的巨大浪费，而且会影响用电设备的正常运行。而且会在建筑物的供电导线中产生热量。电子镇流器的功率因数低会限制家用电器的负荷，甚至会增加照明费用。功率因数校正电路由功率因数控制电路由L6561、MOSFET、电感（T）、二极管（D1）、电容（C5）等元件组成。功率因数校正电路是一个运行在临界传导模式的升压变换器。这意味着电感电流在每个循环MOSFET导通时放电到零，按输入电压调整DC电源电压,保证镇流器的输入电流。L6561的工作原理是采用固定导通时间控制方法，使峰值电感电流包络线跟随交流输入电压的变化轨迹。采用PWM工作模式，迫使电流和电压同相位，达到功率因数校正的目的。

APFC电路产生400V的稳压电压，并且保证功率因数达到0.95以上。功率因数控制电路如图4所示。

图4 功率因数控制电路

2.1.3 镇流器控制

IR2159是IR公司推出的一种新型电子镇流器电路。该电路与其他同类电路的最大不同是增加了调光功能。

IR2159具有如下特点：

(1)集镇流器控制、调光、半桥驱动于一体。

(2)具有调光控制功能，闭环功率控制、闭环预热电流控制、可编程预热时间和电流、可编程最小频率，灯管点燃检测、可编程点燃到调光之间的时间、调光控制电压0.5-5VDC。

(3)具有多种保护功能。如灯丝失效保护、过流保护、启动失效保护及过温保护。镇流器典型控制电路如图5所示。

图5 镇流器控制电路

2.1.4 微控制器部分

微控制器是整个镇流器电路的核心，存储着镇流器的大量信息。当它接收到经电平转换电路转换后的DALI信号，对其进行判断并执行响应的命令。

图6 微控制器电路

当需要调光时，其CCP端口PWM 输出脉冲，通过RC低通滤波电路，实现0.5V~5V电平的输出。PIC16F628共有5个I/O端口，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。DALI 镇流器中存储了大量的参数，而绝大多数参数都存放在EEPROM 数据存储器中，以保证断电后这些参数依然存在。DALI 镇流器单片机接收DALI 主机的各种命令，数据以逻辑值 1 作为起始位，包括8位地址位，8位数据位，两个非编码的高电平作为结束标志。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0和逻辑1，在总线上没有信号时两条信号线之间保持高电压差。DALI 协议的传输速率为1.2Kb/s，信号周期833.33ms，据曼彻斯特编码要求，单片机每个周期内对总线采样2次，采样延间隔为T/2=417ms，采样误差为0.08%。微控制器电路如图6所示。

2.1.5 电平转换电路

DALI接口与微控制器之间需要有光电隔离的电平转换电路。该接口电路主要有两个作用，光电隔离两端信号，防止干扰；传输电平转换，将DALI信号线的逻辑电平(DALI信号)转化为单片机PIC16F628的逻辑电平(TTL信号)，当上位机准备对镇流器进行控制，或者是询问镇流器状态时，通过电平转换电路就可把DALI信号转换为微控制模块的TTL电平，微控制模块准备向上位机发送反馈信息时，电平转换电路又实现了TTL电平到DALI信号的转换。另外，电平转换电路通过光耦隔离，起到了隔离两边电路的作用，减少了干扰。DALI照明控制系统与以往照明系统相比一个很大的优点就是实现数字智能调光，达到恒照度的要求。DALI接口电路如图7所示。

图7 DALI接口电路

2.2 软件设计

系统上电后，单片机 PICl6F628首先进行一些初始化工作，即使能 IR2159，设定正常工作后灯的初始亮度，向 DALI主机回送该灯的工作状态等。设置完成后进入循环查询状态。在循环中单片机检查IR2159工作是否正常，有没有灯丝断掉或者灯管被取出等故障，如果有这类故障存在，则立即关闭 IR2159。此外还查询通信线路是否有命令或数据输入。如收到命令或数据，则先进行过滤，判断消息的目的地址是否同分配给该镇流器的地址相匹配，或消息的组地址是否同镇流器所在组定义的地址匹配，或者该命令是否是广播信息。如果地址匹配，立即进入与该命令相应的子程序。当有来自DALI总线上的信息时，会引起PICl6F628中断。如果该信息是针对该镇流器的，就进人中断子程序。命令处理完成之后，PICl6F628会向DALI主机回送一个信息，登记该镇流器现在的状态。程序流程如图8所示。

图8 程序流程图

3 结束语

数字化可寻址调光接口（DALI）是一种专用于照明控制系统的通信接口规范。随着数字技术的不断发展，DALI协议将会在越来越多的方向受到重视和研究。利用微控制器控制IR2195构成的镇流器控制电路，自动完成从灯预热、灯触发到灯功率控制的全过程，并具有完善的安全保护功能和高效率与高功率因数，是减少能源消耗的有效途径之一。

[1]全庆锋，王萍．城市道路照明节能系统[J]．中国科技信息工程论坛，2005(16)：105~107．

[2]邹常茂，韩庆军.国内智能照明节电器设备的现状与技术特性[J]．节能与环保，2003(12)：52~53．

[3]Prakash Manoharan．Access of Digital AddressableLight Interfacer[D]．New York：The State University，2005．

[4]毛兴武，祝大卫．新型电子镇流器电路原理与设计[M]．北京：人民邮电出版社，2007：363~367．

[5]勾勇华．节节能型可调光电子镇流器的研究与实现[D]．武汉：华中科技大学，2005．

[6]Modem digital lighting control with DALI,DALI and innovative building management[M]．Activity Group DALI of ZVEI Manual e.V．electrical luminaires association.2003.

TP336：TM923.61

A

1673-2219（2010）12-0013-05

2010－08－26

本文获湖南省教育厅科学研究项目（04C512）、湖南省自然科学基金资助项目（08JJ6043）联合资助。

李春树（1964－），男，湖南宁远人，教授，硕士，主要研究方向为电子技术理论与实验教学。

(责任编校：何俊华)