基于DALI協(xié)議的總線式消防應(yīng)急燈的設(shè)計

1、基于DALI協(xié)議的總線式消防應(yīng)急燈的設(shè)計 吉林省消防總隊技術(shù)處 李貴仁吉林博安消防設(shè)備有限公司 慕劍波摘要本文介紹了按照GB179452000規(guī)定，以DALI協(xié)議為通信手段的總線式消防應(yīng)急燈具的設(shè)計。并詳細(xì)介紹了DALI協(xié)議，和應(yīng)急燈具的軟硬件設(shè)計。具備通信能力的特點使這種燈具的維護(hù)簡便，最終實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提高。關(guān)鍵詞：DALI 通信 可靠性 The Bus Snooping Fire Emergency Luminarites Design Base on DALI ProtocolAbstractThe design we introduced is according to the n

2、ational standard of GB17945-2000.Its a bus snooping fire emergency Luminarites base on DALI( Digital Addressable Lighting Interface) protocol. The DALI protocol and the design of hardware and software we particular introduced. The characteristic of communications made it easy to maintenance, and imp

3、roved its reliability finally.Key words: DALI communication reliability1 引言消防應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志已被廣泛安裝使用在各類建筑中，在建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時給現(xiàn)場人員提供疏散照明，成為建筑消防系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，其性能好壞直接關(guān)系到該建筑中人員的生命安全?？偩€式應(yīng)急燈因其具有通信能力，突出優(yōu)點是維護(hù)方便，能實時反映出每個燈具的狀態(tài)，因此系統(tǒng)可靠性遠(yuǎn)大于一般應(yīng)急燈具。DALI（Digital Addressable Lighting Interface）是由IEC929所規(guī)范的數(shù)字式可尋址照明接口和協(xié)議。具有可靠性強(qiáng)、開

4、放性好、系統(tǒng)重構(gòu)靈活等特點。因此本設(shè)計通過DALI協(xié)議和RS-485接口實現(xiàn)應(yīng)急燈具和EPS的通信，以進(jìn)行燈具狀態(tài)的實時監(jiān)控和維護(hù)。2 數(shù)字可編址照明接口 DALI 是控制器和電子控制裝置(ECG) 之間通信的一個標(biāo)準(zhǔn),將作為一個附錄包含在IEC929 標(biāo)準(zhǔn)中。DALI總線系統(tǒng)模型如圖1 所示。圖1 DALI總線系統(tǒng)2.1DALI協(xié)議。 DALI 協(xié)議的主要特性如下:(1) 異步串行通信協(xié)議；(2) 信息傳輸速率1200 kb/s,半雙工傳輸；(3) 傳輸過程使用曼徹斯特（Manchester）編碼用于錯誤檢測；(4) 雙線差分驅(qū)動。DALI通過使用兩根導(dǎo)線進(jìn)行雙向串行通信 ,當(dāng)空閑狀態(tài)時主控

5、單元將保持接收狀態(tài)，隨時接收應(yīng)急燈故障時的反饋信號。應(yīng)急燈通過設(shè)置電平的高低對主控單元響應(yīng)。主從單元之間傳遞的是一系列的數(shù)字基帶信號,所有的通信均由主控單元控制。主控單元發(fā)出的信息叫做發(fā)送幀（Forward Message Frame）：包括一個起始位,16位數(shù)據(jù)( 8位地址和8位指令 )以及2個停止位( 見圖2(a) )；從控單元發(fā)出的信息叫做響應(yīng)幀（Backward Message Frame）：包括一個起始位,8 位數(shù)據(jù)(響應(yīng)) 以及2個停止位( 見圖2(b) )。由于主從單元之間只有一對導(dǎo)線,所以信息的傳輸是異步半雙工的。圖2 DALI幀結(jié)構(gòu)3 硬件設(shè)計應(yīng)急燈主要由四部分組成：電源、電

6、壓監(jiān)測、通信和主控部分。由于本設(shè)計需要電壓檢測，通信等功能，而普通低檔單片機(jī)又不能滿足我們的需求，所以本設(shè)計選擇采用Atmel公司的ATmega8單片機(jī)作為主要原件實現(xiàn)電平監(jiān)測、通信和主控功能，它有如下特點：(1) 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命: 10000 次；(2) 512 字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命: 100000 次；(3) 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；(4) 23個可編程的I/O 口，28引腳PDIP封裝,32引腳TQFP/MLF封裝,(5) TQFP與MLF封裝的8路ADC10位ADC，PDIP封裝的6路10位ADC(6) 1個可編程的串行USART，1個8位I2C接

7、口(7) 可編程看門狗定時(8) 5種可通過軟件選擇的節(jié)電模式3.1 電源的設(shè)計本設(shè)計中電源主要應(yīng)用在照明燈具、控制部分和通信部分的供電。由于主要負(fù)載都是小功耗的LED，要求輸出功率在510W之間，所以選用EE16磁芯即可滿足要求?？紤]到應(yīng)急燈的可靠性，體積限制，以及成本等綜合因素所以本設(shè)計采用PI公司的高集成度TNY256單片開關(guān)電源。由TNY256組成的10W、5VDC電源適配器電路如圖3所示，交流輸入電壓范圍為85265V。其中有兩組輸出，主輸出為燈頭和單片機(jī)供電，輔助輸出為被隔離的MAX485供電。圖中U2為光磁耦合器，U3為可調(diào)式并聯(lián)精密穩(wěn)壓器，F(xiàn)1為保險絲電阻器。85265V交流電

8、經(jīng)過D1D4橋式整流和C1、C2濾波后，得到約300V的直流高壓。鑒于在功率MOSFET關(guān)斷瞬間，脈沖變壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，因此，由電阻器R3、C3和超快恢復(fù)二極管D5組成的功率MOSFET漏極鉗位保護(hù)電路，可有效抑制漏極上的反向峰值電壓，從而保護(hù)TNY256內(nèi)的功率MOSFET不受損壞。C3選用的高壓陶瓷電容器。次級電壓通過D6、C6、C7、L3和C8整充濾波后，主輸出得到5V、1A的直流輸出，同理輔助輸出得到5V，0.4A的輸出。D6，D7采用肖特基二極管。為了抑制初、次級之間的共模干擾，在初、次級的同名端還并聯(lián)一只2200pF/2kV的高壓陶瓷電容C5。輸出電壓由精密電阻R7、R8

9、決定。圖3 電源原理圖3.2 檢測電路的設(shè)計檢測電路主要負(fù)責(zé)燈頭的故障檢測，能夠指示故障狀態(tài)，保證其符合GB179452000的規(guī)定。檢測電路原理如圖4所示。圖4 檢測電路原理圖所需檢測的故障狀態(tài)主要有兩種：短路和開路。其中R3為保護(hù)電阻，防止燈頭短路時電源處于保護(hù)狀態(tài)而不能為主控制器正常供電；R1和R2為分壓電阻。當(dāng)正常點亮?xí)rAD采樣點的電壓為燈頭電壓的一半，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時R1、R2被短路，采樣點電壓為零；當(dāng)出現(xiàn)開路故障時，采樣點電壓為電源電壓的一半。所以根據(jù)這兩點即可判斷出故障狀態(tài)，從而進(jìn)行故障狀態(tài)檢測。3.3 通信電路的設(shè)計根據(jù)DALI協(xié)議的規(guī)定和實際情況，本設(shè)計采用RS-485半雙工

10、異步通信總線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)應(yīng)急燈和EPS之間的通信。RS-485的特點如下：(1)平衡傳輸；(2)多點通信；(3)驅(qū)動器傳輸電壓（帶載）：|1.5V|；(4)接收器輸入門限：200mV；(5)-7V至+12V總線共模范圍；(6)最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；(7)最大總線負(fù)載：32個單位負(fù)載（UL）；(8)最大傳輸速率：10Mbps；(9)最大電纜長度：1200米。 在使用RS-485總線時，如果簡單地按常規(guī)方式設(shè)計電路，系統(tǒng)會因為設(shè)備數(shù)量多、通信線路遠(yuǎn)以及現(xiàn)場的各種干擾等，造成通信可靠性、穩(wěn)定性不高，致使聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的質(zhì)量得不到保證。在實際工程中可能存在以下兩

11、個問題：一是通信數(shù)據(jù)收發(fā)不可靠；二是在多機(jī)通信方式下，一個節(jié)點的故障就會使得整個系統(tǒng)的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來困難。針對上述問題，對485總線接口的軟硬件設(shè)計采取了改進(jìn)措施，大大提高了聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。接口設(shè)計如圖5所示。圖5 通信電路原理圖在應(yīng)急照明系統(tǒng)中，要對燈具情況進(jìn)行定時監(jiān)控及維護(hù)，不能因為單個燈具的損壞或異常情況而影響其他燈具，甚至影響EPS的穩(wěn)定。因此采用光耦隔離電路，將照明部分、單片機(jī)系統(tǒng)與RS-485進(jìn)行信號隔離。此處采用TLP521-1型光耦，電路設(shè)計中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片；但是因為通信傳輸率較低（1200kb/s），出于成本

12、也可以運(yùn)用優(yōu)化普通光耦電路參數(shù)的設(shè)計，使之工作在最佳狀態(tài)。例如：光耦中發(fā)光二極管的限流電阻如果選取得較大，則會使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如果選取得過小，則退出飽和會很慢。所以這兩只電阻的數(shù)值要精心選取，不同型號的光耦及驅(qū)動電路使得這兩個電阻值略有差異，在電路設(shè)計中應(yīng)特別慎重，通常需要通過實驗確定。4 軟件設(shè)計 本設(shè)計的軟件主要有3部分：監(jiān)測電壓、通信和按鍵檢測。其中按鍵檢測為GB17945-2000規(guī)定的監(jiān)測手段。4.1 電壓采樣設(shè)計考慮到電路噪聲和環(huán)境的影響，采樣電壓判據(jù)的上限和下限有1V的間隔。程序流程如圖6所示初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)字濾波器數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)是否報告故障狀態(tài)顯示故障標(biāo)

13、志圖6 電壓檢測軟件測流程4.2 按鍵檢測為提高系統(tǒng)可靠性，方便人員巡檢，設(shè)計了按鍵可以隨時進(jìn)行應(yīng)急燈的檢測。因為按鍵檢測對于單片機(jī)為突發(fā)事件，所以采用中斷方式解決。程序流程如圖7所示初始化等待中斷是否判斷故障狀態(tài)是否發(fā)送故障狀態(tài)顯示故障標(biāo)志發(fā)送已檢測標(biāo)志圖7 按鍵檢測軟件流程4.3 通信設(shè)計通信是系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分，其發(fā)生對于單片機(jī)也有偶然性，中斷方式為最好的解決方法。在數(shù)據(jù)通信中要注意起始位的判斷，盡量減小噪聲產(chǎn)生的誤判斷。程序流程如圖8所示初始化等待中斷否是接收信號數(shù)據(jù)校驗正確否地址判斷執(zhí)行命令否是返回信號是圖8 通信軟件流程圖4.4 通信波形分析圖9是實際通信過程中邏輯分析儀采集的圖形。由于采用曼徹斯特編碼所以兩個數(shù)據(jù)標(biāo)示一位編碼。圖9（a）是廣播發(fā)送命令的編碼，圖9（b）是響應(yīng)數(shù)據(jù)編碼。圖9 實際發(fā)送波形5 結(jié)論通過DALI協(xié)議和RS-485總線相結(jié)合的設(shè)計方法彌補(bǔ)了DALI協(xié)議通信距離短的不足。使的本設(shè)計具有可靠性強(qiáng)、易于維護(hù)、電路設(shè)計簡單、軟件設(shè)計方便等優(yōu)點?？蓾M足應(yīng)急燈具的實際需要，為突發(fā)時間事件的到來做好準(zhǔn)備。參考文獻(xiàn)1 Dig