設計符合 DALI 標準的有線照明控制網路

儘管無線通訊的使用逐漸增加，商業建築的有線控制照明系統依舊是目前的主流科技，，且預期未來數年會繼續保持此地位。 這是 IMS Research 近期報告所提出的結論之一，並預測數位可定址照明介面 (DALI) 將成為照明系統中最常使用的控制協定，在 2010 年至 2017 年期間的元件銷售量將超過 9 千萬件。

DALI 網路由一個控制器以及一個或多個照明元件組成。 這些元件可能是安定器電路、開關、調光器，但也陸續加入感測器，能在自動照明控制中進行佔位與環境控制，並且協助降低能耗。 DALI 協定在 IEC 62386 技術標準下制訂，而 DALI 本身更代表一群領導製造商和機構，旨在推廣此科技，確保照明控制能夠相互操作。

本文將探討 DALI 作為有線照明介面的起源，瞭解其運作方式、運用領域和優勢。 DALI 能簡化照明系統的設計，但要適應一個新的介面，在通訊協定和符合所需的訊號位準層面上，似乎都有點麻煩。 微控制器 (MCU) 是針對控制數據進行編碼和格式化的絕佳解決方案，即使在最基本的照明元件中也能符合成本效益。 不過，MCU 一般在 5 V 或更低的電源電壓下運作，因此會面臨挑戰必須將邏輯訊號轉換至更高的 DALI 位準（-6.5 V 至 22.5 V）。

因此，若能夠針對 DALI 應用提供更好的解決方案，光源與控制元件的設計人員將會欣然接受。 所幸製造商 STMicroelectronics (ST) 的 ST7 8 位元微控制器系列有一款產品，在晶片上周邊裝置採用 DALI 通訊介面。 除了具有 DALI 功能的 ST7DALIF2 MCU，ST 也透過評估平台支援 DALI 應用。此平台包含硬體模組設計，能滿足電壓位準和正確連接至 DALI 網路的其他要素。 本文接著會說明此解決方案進一步解釋 DALI 的運作方法。

DALI 是什麼？

數位可定址照明介面 (DALI) 一般認為可以因應商業照明產業所遭遇的困境，以免空間照明控制在採用各自研發的匯流排系統後變得過度複雜。 此方法本身能因應更多樣控制的需求。 這有助於克服硬線切換和類比訊號的限制，例如 0 至 10 V 調光控制。 匯流排系統（如 EIB 或 LON）最初的開發用途是當作大樓管理系統 (BMS)，用來控制暖氣、通風、空調、百葉窗以及照明。 因此不難理解這些解決方案的高功能性也意味著高價位，不光是元件成本，還包含勞力密集的安裝費用。

DALI 提供必要的折衷，能針對類比空間照明控制提供靈活且智慧的替代方案，同時還能整合 DALI 作為更完整 BMS 設計的子系統，讓建築管理系統更加完備。 DALI 真正勝出的原因在於提供標準化解決方案，能確保不同製造商的產品能彼此相容。 這不僅讓照明系統設計人員在選擇照明元件時享有更多彈性，也因為沒有特殊的數據纜線接線需求，因此能進一步簡化安裝。 此外，立即可用的相容照明設備和控制能讓屋主調適或或擴充照明，以因應未來的需求。 最後，標準化解決方案能提供一系列的成本優勢：更大的產量、更廣大的市場、更低的設備價格，而且在承包商熟悉 DALI 相容零件和其常用接面後更能縮短的安裝時間。

DALI 標準是由 DALI AG 制訂，此工作小組的成員目前涵蓋超過 60 家數位照明控制的領導製造商和機構。 IEC 60929 是第一版的標準，主要是針對可調式螢光燈安定器的介面進行定義，確保不同製造商的安定器之間可彼此互換。 IEC 60929 即將在 2014 年撤銷並由 IEC 62386 取代，指定 DALI 做為所有光源和照明控制器的唯一介面，包含相關零件，如變壓器、繼電器模組、感測器以及緊急配件。 因此，DALI 承襲以往的的 0 至 10 V 照明控制系統，並針對數位訊號介面 (DSI) 提供開放式標準架構的替代方案，達到相互操作、狀態回饋與進階控制的優勢。 DALI 組織代表其成員開發商機並針對擁有 DALI 商標的合規產品促進其相容性，確保最終使用者能透過多種來源取得產品。

DALI 的運作方式？

DALI 採用雙線介面，讓獨立網路（採匯流排或星狀拓撲配置）中多達 64 個裝置彼此通訊。 若有需要，DALI 閘道能透過子系統彼此的連接讓更多裝置定址。 數位訊號的標稱位準為 0 V 和 16 V（每個邏輯位準為 ±6.5 V，因此實際上介於 -6.5 V 和 +22.5 V），並採用 1200 bit/s 的非同步、半雙工序列協定進行數據傳輸。 採用差動訊號結合曼徹斯特編碼，即使在嚴重的電氣雜訊下，也能確保可靠操作，因此能沿著主電纜甚至在承載主電源的多芯纜線中進行 DALI 佈線。 在低電壓下運作，因此無需額外的安定器安全隔離（儘管網路纜線必須符合主電源等級），此外介面電路中含有二極體橋，因此不會產生任何連接極性問題。 假定控制器和網路最末端裝置之間的壓降不超過 2 V，且採用橫截面 1.5 mm² 的電線，則纜線最長可達 300 m。

DALI 裝置皆有分配位址，會跟其他設定一起儲存在裝置中。 各個裝置可以個別或以燈組元件的方式進行定址，而每個裝置最多可以成為 16 個燈組的元件。 這能讓一個空間中的不同燈具根據不同情境（或如標準所述之「場景」）進行控制。 因此，舉例而言，空間中的所有燈具皆是單一燈組的元件，並且可以透過單一命令切換至最大輸出。 另外一個燈組全部都是壁燈，第三個燈組全部都是會議室前方的嵌燈，剩餘的天花板燈則屬於第四個燈組。 如此一來，預先設定的場景若是「簡報模式」，則前方的嵌燈會開啟，壁燈則會調至 50% 亮度，其餘的天花板燈則會關閉（如圖 1 所示），而在人們到達或離開會議室時，燈光則會全亮。 為了進一步簡化此類配置，每一個裝置可以儲存多達 16 個場景的調光設定。 裝置也可回報其狀態，以便控制人員藉此監測裝置情況，例如亮度或動作感測器，並可偵測燈泡是否故障。

DALI 介面實作

如同以上介紹，一個簡單、低成本的微控制器搭配一些基本晶片上周邊裝置即可立即處理 DALI 通訊協定，包含傳送和接收位址、以序列資訊流控制訊號以及儲存和回應所有場景設定命令。 若需要實作曼徹斯特編碼，只要採用一般用途輸入／輸出 (GPIO) 連接埠搭配時脈恢復類比比較器即可。 DALI 只會採用中等數據傳輸率，因此以上這些都不會降低現有 MCU的效能。 還必須提到 ST 的 ST7DALIF2 8 位元 MCU，該元件在晶片上整合 DALI 通訊介面，是深具吸引力的產品，能夠簡化設備設計人員的作業並且加快上市時間，同時確保方案合規。

ST7DALIF2 元件屬於 ST7 微控制器系列成員，享有通用架構的優勢，具有高達 8 MHz 運作頻率的 8 位元核心處理器、標準快閃程式記憶體配置、EEPROM 數據記憶體和 RAM 以及一組周邊裝置，其中含有 I/O 連接埠（含 SPI）和一個具有固定增益運算放大器的 A/D 轉換器。 此元件的操作電壓介於 2.4 至 5.5 V，且具有應用閒置或待機時的所有常見省電模式。 提供不同的封裝選項，多達 15 個 I/O 引腳。

ST7DALIF2 和其他 ST7 系列產品不同之處在於其晶片上的 DALI 通訊模組 (DCM)，如圖 2 內部方塊圖的右下角所示。

此內部方塊圖（圖 3）與 DALI 標準框架圖解（圖 4）一同呈現 DALI 通訊模組 (DCM) 的功能性。 操作核心具有多種暫存器，可儲存時脈、位址、數據、控制以及控制／狀態資訊。 DCMCLK 暫存器用於針對 DALI 數據傳輸率調整裝置的時脈，DCMFA 提供正向位址，並且結合 DCMFD 的正向數據和必要的停止和開始位元，組成正向（傳輸）訊框。 DCMBD 從反向訊框中接收數據，DCMCR 和 DCMCSR 則用於保持控制和狀態設定。

ST7DALIF2 MCU 在 MCU 邏輯位準上依然只支援 DALI 訊號。 不過，ST 已經推出 STEVAL-ILMOO1V1 硬體評估模組，搭配 STM8S-DISCOVERY 套件使用後能當作模組的主機板，並且隨附 DALI 軟體庫。 此硬體模組會將 MCU 邏輯訊號轉換成完整的 DALI 電壓位準，具有適當的上升和下降時間，也針對主電壓意外錯接至 DALI 線路的情況提供過壓防護。 此模組如圖 5 所示，其電路圖則位於圖 6。

儘管此模組的用途是讓使用者進一步瞭解 DALI 和其能力，亦提供完整運作的 DALI 解決方案，能連接到任何 DALI 網路並且受其控制。 因此能用於最終設備，當作插入式介面模組。此外也提供公版設計，能讓照明設計人員直接納入設計中。 除了提供完整的電路圖外，ST 亦在 STEVAL-ILMOO1V1 模組的使用手冊中提供 PCB 佈局圖。

總結

目前有眾多商業建築的照明控制解決方案，從傳統的手動切換面板到透過建築管理系統達成的精密方式。 在避免專用線路，以及提供彈性、調光、環境光感測和動作偵測等功能的要求下，多種控制策略和匯流排網路解決方案隨之而生。 不過，唯有透過 DALI AG 的支援，方能提供標準化的數位介面。

本文探討 DALI 和其運作方式，特別參考 STMicroelectronics 的解決方案，介紹其具備 DALI 功能的微控制器和電路設計，能符合 DALI 標準的規定，將 MCU 邏輯位準轉換成訊號電壓。 最重要的是，DALI 能讓製造商提供合規產品，確保建築照明系統的設計、安裝與維護人員享有充分的產品供應，並可安心將產品彼此連結。 此標準化成果能達到製造層面的經濟效益並簡化安裝，進而提供成本優勢。

參考資料：

1. IMS Research 針對照明控制元件所發佈的新聞稿