一种基于DALI总线的智能LED照明系统的设计

廖慧

摘 要：为了提高智能照明系统的性价比，提出了一种基于DALI总线的智能LED照明设计方案，关键技术包括DALI控制模块和可调光驱动电源的设计。系统通过应用微控制器（MCU）、通用的模拟和数字电路来代替昂贵的DALI专用芯片，实现了DALI控制的功能；LED驱动电源应用软开关技术，具有DALI接口和多种传感器接口，并具有应急照明的功能；系统可实现对LED灯的PWM调光和智能化控制。制作了样机并进行了相关实验，验证了方案的可行性。

关键词：智能LED照明；DALI总线；调光；驱动电源

中图分类号：TM923 文献标识码：A

Abstract： This paper proposes a kind of designing scheme for LED intelligent lighting based on DALI bus in order to enhance the cost performance of the intelligent lighting system. The key technology lies in the design for DALI control module and the dimming driving power supply. The System realizes DALI control function through applying micro-control unit（MCU）， general analog circuits and digital circuits to instead of the expensive specialized DALI chip. Soft-switching technology has been applied in LED driving power supply which contains the interface of DALI and some kinds of sensors， combining emergency lighting function. PWM （Pulse Width Modulation） dimming and intelligent monitoring for LED lamp can be finished by the designed system. The prototyping system has been manufactured， and the relevant experimental results demonstrate the possibility of the scheme.

Key Words： intelligent LED lighting；DALI bus；dimmer；driving power supply

DALI（Digital Addressable Lighting Interface），即数字可寻址照明接口，是目前流行的新一代照明控制协议。DALI总线协议最初是智能照明主控与调光电子镇流器配套使用，用于荧光灯的灯光情景调节，现已扩展到LED灯具，只要符合DALI协议的不同厂商的各类灯具和设备，都可挂接在其总线上实现组网调光。因此，DALI协议可将LED灯具跟传统的灯具融合在同一套照明系统里面，大大方便了用户[1]。虽然DALI是开放的协议，但目前DALI的主机端和控制软件已和智能楼宇、现场总线控制系统融合在一起，并掌握在飞利浦、欧司朗、西门子等几大厂商手中，DALI终端设备也是由这几个厂商占主导地位，研发的DALI系统一般灌注在SOC（片上集成系统）芯片内出售，这些设备和专用芯片都价格不菲，增加了自主研发DALI系统的难度。在保证功能和可靠性的前提下，为了提高智能照明系统的性价比，开发通用的DALI控制系统成为中小型智能照明厂商的一个重要研发目标[2-3]。

提出了一種基于DALI总线的智能LED照明系统方案，关键技术包括DALI控制模块、可调光LED驱动电源等。系统应用单片机、通用的芯片和电路，实现了DALI控制的功能，LED驱动电源具有DALI接口，可实现对LED的智能PWM调光，并具有应急照明的功能，相关实验验证了方案的可行性。

1 DALI智能照明系统设计

仿照OSI七层网络模型的定义，可将DALI照明控制系统分为8个层次，如图1所示：供电层提供电力保障；驱动层指可调光LED驱动电源，要求可靠高效；传感器层在于选择合适的传感器，实现较高精度的选择；调光层是通过PWM技术实现；协议层灵活应用DALI协议的调光原理、电气规范、编码格式（曼彻斯特编码格式和反馈机制）、地址类型和指令格式等，能使不同厂商的设备相互兼容构建协调的照明系统；通信层应用485总线、电力线载波或RF等方式进行通信；操作层可应用PC机、平板电脑或智能手机，通过监控软件实现对LED驱动电源的联网操作，从而控制网络中各种灯具；系统实现层是对控制系统作全局的分析和设计，完成整个系统的搭建[4-5]。

文中所提的DALI照明系统基本方案如图2所示：系统包括LED灯具，内嵌DALI接口的可调光驱动 电源、各种传感器、DALI控制模块、控制面板（或旋钮）、触摸屏控制面板、应急照明控制装置和其它一些DALI设备构成，各设备通过DALI总线连接，可兼容带电子镇流器的传统灯具，各设备构成一个DALI子网络，一个DALI子网络可以通过网桥连接而构成大型照明系统，最后通过无线通信或DALI/RS485接口转换由上位机（如PC机、手机）实现集中监控。每个DALI控制模块最多可控制64个设备，每个设备赋予一个唯一的物理地址，并可配置最多16个地址（逻辑地址），即可设置16个照明场景（Scene）。无论照明组属于哪一部分，各DALI设备可以串联、星形连接或混合连接等方式自由地连接在一起，但环形连接方式可能会引起通讯系统故障[6-7]。

本方案中，可将内嵌DALI接口的可调光LED驱动电源理解成智能照明网络的驱动层和调光层（DALI从控系统）；DALI控制模块（DALI主控系统）、DALI总线可以理解成协议层和通信层；上位机、各控制面板可以理解成操作层。当然，各设备可根据实际需要进行增删。照明系统布线可采用如图3所示的单相

电缆，包括DALI总线（一根发送信息TX，一根接收信息RX）、火线、零线和保护线（地线）。如果需要三相布线，可以将DALI总线作为一根电缆，三相电源线作为另一根电缆。

2 DALI智能照明系统的关键技术

2.1 可调光LED驱动电源

内嵌DALI接口的LED驱动电源作为系统的控制节点，除了给LED灯具供电外，还具有DALI接口，实现DALI协议通信、控制和数据采集等功能，其通用的硬件结构框图如图4所示：

市电输入经过滤波和二极管整流后，进行有源功率因数校正（APFC），并为中间级谐振变换器提供恒定的电压输入；末级为限压恒流电路，为LED灯提供恒定的电流；MCU（微控制器）输出PWM调光信号，并完成APFC、谐振变换器和限压恒流电路各环节的控制。驱动电源可实现单输出或多路输出，PWM调光范围为0～100%，具有红外、RF、环境光、人体感应等多种接口扩展，灵活地实现多种功能。LED灯的电压、电流和温度信号经前置处理后由MCU分析比较，转化成相应的电压、电流数值，送至DALI控制模块，并传回监控终端，以判断LED灯的电流、电压及故障状态[8-9]。

通过内嵌DALI的LED驱动电源，系统可对LED灯工作状态（开/关灯、亮度、状态等）进行监控，以实现对每个LED灯寻址及LED灯的组寻址和广播寻址；系统可通过上位机或外置模块远程设置开/关、调光、状态等参数；查询每个LED电源的工作状态、负载状态；若出现电源故障或LED灯故障则自动上报，故障解除则自动恢复。

2.2 DALI控制模块

DALI控制模块是系统的关键设备，要求有DALI通信、检测和调光等功能，其结构如框图5所示。

每个DALI控制模块最多可控制64个设备（灯具），每个设备赋予唯一的物理地址，并最多可配置16个组地址（逻辑地址），可实现16种场景（Scene）的控制。驱动电源通过DALI总线连接到DALI控制模块，也可以连到系统中的其它控制器。

本系统中DALI控制模块不再采用价格高昂的专用DALI芯片，而是应用通用MCU、模拟、数字电路来实现其功能，获得较高的性价比。DALI协议较复杂，标准中已列出的协议共了200多条，对不同的灯具也制定有几十条扩展协议，而且标准中还要求实现各种参数和算法，如自动分配地址、FadeTime/FadeRate、对数调光曲线等。为了加速开发DALI控制器，免去编写复杂的DALI程序的烦恼，在DALI控制器中，要实现包括地址分配、分组、场景设置、时间表和时序控制等功能，其中难点是DALI控制模块给DALI设备自动分配地址的过程，DALI自动分配地址过程的实现方法可分为三种情况考虑：

（1）所有设备重新分配地址，一般是在第一次工程调试时使用；

（2）扩展分配地址，只给没有分配地址的设备分配地址，工程上新添加设备时使用；

（3）重复地址分配，当发现存在两种相同地址的设备时，需要为这两个设备重新分配地址。

光强传感器主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关LED灯或调节其亮度值，地址设置可以通过拨码开关或控制面板设置。

2.3 应急照明装置

为了实现应急照明，在公共场所和住宅一般都是安装传统的内置电池的应急照明灯具，而动力机房大都配置了大功率的应急电源（EPS），供应急照明和消防用，投入和维护成本较高，一旦EPS出现故障，则存在较大安全隐患。本系统提出如图6所示的一种方案：将锂电池和应急照明控制装置嵌入LED灯中，应急照明控制装置和LED驱动电源的控制可由同一MCU完成，平常锂电池处于浮充状态，一旦MCU检测到市电掉电，则由锂电池向LED驱动电源供电。应用双向晶闸管，可将应急照明装置的市电/电池切换时间做到10 ms以内，实现LED灯和控制电路的不间断供电。锂电池的容量根据需要来设定，一般可维持1小时以上的应急照明。这样，将需要提供应急照明的灯具安装后备锂电池，省去了EPS，故障风险分散，系统投入成本低，安全可靠，维护费用低。

3 DALI智能照明系统的相关实验

根据系统设计方案，考虑到LED智能照明控制对算法的要求不是很高，但要求PWM调光精度高，响应速度快，能实现硬件的参数控制和保护功能，还需要多种通讯接口。在实验中，本系统中DALI控制模块和LED驱动电源选用了NEC公司的内置DALI功能的8位MCU 78K0/IX2，可实现多通道地址输出[10]；选用TLS2561T作为光电强度传感器，TLS2561 接近人眼对亮度的反应，能直接将光强度信号转化成数字信号输出，有可编程中断功能和标准的I2C 接口（SDA、SCL），能方便地与单片机相连；温度检测芯片可选用精确度高、低功耗的模拟芯片LM35。

图7展示了DALI照明系统的一些相关实验图片：a为18W的PWM调光电源，具有DALI接口；b为具有应急照明功能的可調光LED光管；c为30W 的PWM调光电源，具有DALI接口；d为具有DALI监控模块的可调光筒灯照明系统实验；e为DALI总线的PWM调光实验系统。

4 结 语

DALI总线协议以成本低、开发难度小、易扩展、高可靠性和实用性强等特点，在智能照明控制领域中的具有优势。提出了一种基于DALI总线的智能LED照明系统方案，关键技术包括DALI控制模块、可调光LED驱动电源和监控软件的设计等。系统应用单片机、通用芯片和电路，实现DALI控制的功能，驱动电源具有DALI接口，可实现对LED灯的智能PWM调光，并具有应急照明的功能。系统可以根据用户需要增删，并将在应用过程中不断完善。

参考文献

[1] 路秋生.数控可寻址照明调光控制接口（DALI）[J].照明工程学报，2008，19（2）：71—77.

[2] 马志凌，郑学仁，谭煌.基于USB和DALI的LED智能照明控制系统[J].微计算机信息，2010，26（12-1）：7—8.

[3] 王飞.基于DALI协议的LED智能照明系统关键技术研究[D].广州：广东工业大学硕士学位论文，2013.

[4] 王鹏鹏，刘振兴，邓洁.基于RS-485总线技术的DALI照明系统的设计[J].照明工程学报，2012，23（1）：107—111.

[5] 李化东.基于数字可寻址照明接口协议的控制系统研发[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2010.

[6] 张文成，王景存，袁雪萍.基于DALI协议的智能调光主控模块设计[J].计算机与现代化，2011：155—158.

[7] 梁霭明，李军.DALI技术在酒店客房照明控制系统中的应用[J].现代建筑电气，2016：38—41.

[8] 王啸东.智能LED照明驱动系统设计[J].照明工程学报，2011，22（6）：78—81.

[9] DBH V，SAUERLANDER G，WENDT M.Power driver topologies and control schemes for LEDs[C].California，USA，22th IEEE Applied Power Electronics Conference（APEC2007）， 2007：1319—1325.

[10] 李浩辉.DALI技术及NEC78K0/IX2调光方案介绍[DB/OL]-http：//www.21ic.com/app/lighting/201003/55465.htm.