一種基于DALI總線的智能LED照明系統的設計

廖慧

摘 要：為了提高智能照明系統的性價比，提出了一種基于DALI總線的智能LED照明設計方案，關鍵技術包括DALI控制模塊和可調光驅動電源的設計。系統通過應用微控制器（MCU）、通用的模擬和數字電路來代替昂貴的DALI專用芯片，實現了DALI控制的功能；LED驅動電源應用軟開關技術，具有DALI接口和多種傳感器接口，并具有應急照明的功能；系統可實現對LED燈的PWM調光和智能化控制。制作了樣機并進行了相關實驗，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：智能LED照明；DALI總線；調光；驅動電源

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：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），即數字可尋址照明接口，是目前流行的新一代照明控制協議。DALI總線協議最初是智能照明主控與調光電子鎮流器配套使用，用于熒光燈的燈光情景調節，現已擴展到LED燈具，只要符合DALI協議的不同廠商的各類燈具和設備，都可掛接在其總線上實現組網調光。因此，DALI協議可將LED燈具跟傳統的燈具融合在同一套照明系統里面，大大方便了用戶[1]。雖然DALI是開放的協議，但目前DALI的主機端和控制軟件已和智能樓宇、現場總線控制系統融合在一起，并掌握在飛利浦、歐司朗、西門子等幾大廠商手中，DALI終端設備也是由這幾個廠商占主導地位，研發的DALI系統一般灌注在SOC（片上集成系統）芯片內出售，這些設備和專用芯片都價格不菲，增加了自主研發DALI系統的難度。在保證功能和可靠性的前提下，為了提高智能照明系統的性價比，開發通用的DALI控制系統成為中小型智能照明廠商的一個重要研發目標[2-3]。

提出了一種基于DALI總線的智能LED照明系統方案，關鍵技術包括DALI控制模塊、可調光LED驅動電源等。系統應用單片機、通用的芯片和電路，實現了DALI控制的功能，LED驅動電源具有DALI接口，可實現對LED的智能PWM調光，并具有應急照明的功能，相關實驗驗證了方案的可行性。

1 DALI智能照明系統設計

仿照OSI七層網絡模型的定義，可將DALI照明控制系統分為8個層次，如圖1所示：供電層提供電力保障；驅動層指可調光LED驅動電源，要求可靠高效；傳感器層在于選擇合適的傳感器，實現較高精度的選擇；調光層是通過PWM技術實現；協議層靈活應用DALI協議的調光原理、電氣規范、編碼格式（曼徹斯特編碼格式和反饋機制）、地址類型和指令格式等，能使不同廠商的設備相互兼容構建協調的照明系統；通信層應用485總線、電力線載波或RF等方式進行通信；操作層可應用PC機、平板電腦或智能手機，通過監控軟件實現對LED驅動電源的聯網操作，從而控制網絡中各種燈具；系統實現層是對控制系統作全局的分析和設計，完成整個系統的搭建[4-5]。

文中所提的DALI照明系統基本方案如圖2所示：系統包括LED燈具，內嵌DALI接口的可調光驅動 電源、各種傳感器、DALI控制模塊、控制面板（或旋鈕）、觸摸屏控制面板、應急照明控制裝置和其它一些DALI設備構成，各設備通過DALI總線連接，可兼容帶電子鎮流器的傳統燈具，各設備構成一個DALI子網絡，一個DALI子網絡可以通過網橋連接而構成大型照明系統，最后通過無線通信或DALI/RS485接口轉換由上位機（如PC機、手機）實現集中監控。每個DALI控制模塊最多可控制64個設備，每個設備賦予一個唯一的物理地址，并可配置最多16個地址（邏輯地址），即可設置16個照明場景（Scene）。無論照明組屬于哪一部分，各DALI設備可以串聯、星形連接或混合連接等方式自由地連接在一起，但環形連接方式可能會引起通訊系統故障[6-7]。

本方案中，可將內嵌DALI接口的可調光LED驅動電源理解成智能照明網絡的驅動層和調光層（DALI從控系統）；DALI控制模塊（DALI主控系統）、DALI總線可以理解成協議層和通信層；上位機、各控制面板可以理解成操作層。當然，各設備可根據實際需要進行增刪。照明系統布線可采用如圖3所示的單相

電纜，包括DALI總線（一根發送信息TX，一根接收信息RX）、火線、零線和保護線（地線）。如果需要三相布線，可以將DALI總線作為一根電纜，三相電源線作為另一根電纜。

2 DALI智能照明系統的關鍵技術

2.1 可調光LED驅動電源

內嵌DALI接口的LED驅動電源作為系統的控制節點，除了給LED燈具供電外，還具有DALI接口，實現DALI協議通信、控制和數據采集等功能，其通用的硬件結構框圖如圖4所示：

市電輸入經過濾波和二極管整流后，進行有源功率因數校正（APFC），并為中間級諧振變換器提供恒定的電壓輸入；末級為限壓恒流電路，為LED燈提供恒定的電流；MCU（微控制器）輸出PWM調光信號，并完成APFC、諧振變換器和限壓恒流電路各環節的控制。驅動電源可實現單輸出或多路輸出，PWM調光范圍為0～100%，具有紅外、RF、環境光、人體感應等多種接口擴展，靈活地實現多種功能。LED燈的電壓、電流和溫度信號經前置處理后由MCU分析比較，轉化成相應的電壓、電流數值，送至DALI控制模塊，并傳回監控終端，以判斷LED燈的電流、電壓及故障狀態[8-9]。

通過內嵌DALI的LED驅動電源，系統可對LED燈工作狀態（開/關燈、亮度、狀態等）進行監控，以實現對每個LED燈尋址及LED燈的組尋址和廣播尋址；系統可通過上位機或外置模塊遠程設置開/關、調光、狀態等參數；查詢每個LED電源的工作狀態、負載狀態；若出現電源故障或LED燈故障則自動上報，故障解除則自動恢復。

2.2 DALI控制模塊

DALI控制模塊是系統的關鍵設備，要求有DALI通信、檢測和調光等功能，其結構如框圖5所示。

每個DALI控制模塊最多可控制64個設備（燈具），每個設備賦予唯一的物理地址，并最多可配置16個組地址（邏輯地址），可實現16種場景（Scene）的控制。驅動電源通過DALI總線連接到DALI控制模塊，也可以連到系統中的其它控制器。

本系統中DALI控制模塊不再采用價格高昂的專用DALI芯片，而是應用通用MCU、模擬、數字電路來實現其功能，獲得較高的性價比。DALI協議較復雜，標準中已列出的協議共了200多條，對不同的燈具也制定有幾十條擴展協議，而且標準中還要求實現各種參數和算法，如自動分配地址、FadeTime/FadeRate、對數調光曲線等。為了加速開發DALI控制器，免去編寫復雜的DALI程序的煩惱，在DALI控制器中，要實現包括地址分配、分組、場景設置、時間表和時序控制等功能，其中難點是DALI控制模塊給DALI設備自動分配地址的過程，DALI自動分配地址過程的實現方法可分為三種情況考慮：

（1）所有設備重新分配地址，一般是在第一次工程調試時使用；

（2）擴展分配地址，只給沒有分配地址的設備分配地址，工程上新添加設備時使用；

（3）重復地址分配，當發現存在兩種相同地址的設備時，需要為這兩個設備重新分配地址。

光強傳感器主要用來檢測周圍環境的光強度，并根據環境亮度來開/關LED燈或調節其亮度值，地址設置可以通過撥碼開關或控制面板設置。

2.3 應急照明裝置

為了實現應急照明，在公共場所和住宅一般都是安裝傳統的內置電池的應急照明燈具，而動力機房大都配置了大功率的應急電源（EPS），供應急照明和消防用，投入和維護成本較高，一旦EPS出現故障，則存在較大安全隱患。本系統提出如圖6所示的一種方案：將鋰電池和應急照明控制裝置嵌入LED燈中，應急照明控制裝置和LED驅動電源的控制可由同一MCU完成，平常鋰電池處于浮充狀態，一旦MCU檢測到市電掉電，則由鋰電池向LED驅動電源供電。應用雙向晶閘管，可將應急照明裝置的市電/電池切換時間做到10 ms以內，實現LED燈和控制電路的不間斷供電。鋰電池的容量根據需要來設定，一般可維持1小時以上的應急照明。這樣，將需要提供應急照明的燈具安裝后備鋰電池，省去了EPS，故障風險分散，系統投入成本低，安全可靠，維護費用低。

3 DALI智能照明系統的相關實驗

根據系統設計方案，考慮到LED智能照明控制對算法的要求不是很高，但要求PWM調光精度高，響應速度快，能實現硬件的參數控制和保護功能，還需要多種通訊接口。在實驗中，本系統中DALI控制模塊和LED驅動電源選用了NEC公司的內置DALI功能的8位MCU 78K0/IX2，可實現多通道地址輸出[10]；選用TLS2561T作為光電強度傳感器，TLS2561 接近人眼對亮度的反應，能直接將光強度信號轉化成數字信號輸出，有可編程中斷功能和標準的I2C 接口（SDA、SCL），能方便地與單片機相連；溫度檢測芯片可選用精確度高、低功耗的模擬芯片LM35。

圖7展示了DALI照明系統的一些相關實驗圖片：a為18W的PWM調光電源，具有DALI接口；b為具有應急照明功能的可調光LED光管；c為30W 的PWM調光電源，具有DALI接口；d為具有DALI監控模塊的可調光筒燈照明系統實驗；e為DALI總線的PWM調光實驗系統。

4 結 語

DALI總線協議以成本低、開發難度小、易擴展、高可靠性和實用性強等特點，在智能照明控制領域中的具有優勢。提出了一種基于DALI總線的智能LED照明系統方案，關鍵技術包括DALI控制模塊、可調光LED驅動電源和監控軟件的設計等。系統應用單片機、通用芯片和電路，實現DALI控制的功能，驅動電源具有DALI接口，可實現對LED燈的智能PWM調光，并具有應急照明的功能。系統可以根據用戶需要增刪，并將在應用過程中不斷完善。

參考文獻

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