基于DALI协议的总线式消防应急灯的设计

基于DALI协议的总线式消防应急灯的设计吉林省消防总队技术处李贵仁吉林博安消防设备有限公司慕剑波摘要本文介绍了按照GB17945—2000规定，以DALI协议为通信手段的总线式消防应急灯具的设计。并详细介绍了DALI协议，和应急灯具的软硬件设计。具备通信能力的特点使这种灯具的维护简便，最终实现系统可靠性的提高。关键词：DALI通信可靠性TheBusSnoopingFireEmergencyLuminaritesDesignBaseonDALIProtocolAbstractThedesignweintroducedisaccordingtothenationalstandardofGB17945-2000.It’sabussnoopingfireemergencyLuminaritesbaseonDALI(DigitalAddressableLightingInterface)protocol.TheDALIprotocolandthedesignofhardwareandsoftwareweparticularintroduced.Thecharacteristicofcommunicationsmadeiteasytomaintenance,andimproveditsreliabilityfinally.Keywords:DALIcommunicationreliability1引言消防应急照明和疏散指示标志已被广泛安装使用在各类建筑中，在建筑内发生火灾时给现场人员提供疏散照明，成为建筑消防系统不可缺少的重要组成部分，其性能好坏直接关系到该建筑中人员的生命安全。总线式应急灯因其具有通信能力，突出优点是维护方便，能实时反映出每个灯具的状态，因此系统可靠性远大于一般应急灯具。DALI（DigitalAddressableLightingInterface）是由IEC929所规范的数字式可寻址照明接口和协议。具有可靠性强、开放性好、系统重构灵活等特点。因此本设计通过DALI协议和RS-485接口实现应急灯具和EPS的通信，以进行灯具状态的实时监控和维护。2数字可编址照明接口DALI是控制器和电子控制装置(ECG)之间通信的一个标准,将作为一个附录包含在IEC929标准中。DALI总线系统模型如图1所示。图1DALI总线系统2.1DALI协议。DALI协议的主要特性如下:(1)异步串行通信协议；(2)信息传输速率1200kb/s,半双工传输；(3)传输过程使用曼彻斯特（Manchester）编码用于错误检测；(4)双线差分驱动。DALI通过使用两根导线进行双向串行通信,当空闲状态时主控单元将保持接收状态，随时接收应急灯故障时的反馈信号。应急灯通过设置电平的高低对主控单元响应。主从单元之间传递的是一系列的数字基带信号,所有的通信均由主控单元控制。主控单元发出的信息叫做发送帧（ForwardMessageFrame）：包括一个起始位,16位数据(8位地址和8位指令)以及2个停止位(见图2(a))；从控单元发出的信息叫做响应帧（BackwardMessageFrame）：包括一个起始位,8位数据(响应)以及2个停止位(见图2(b))。由于主从单元之间只有一对导线,所以信息的传输是异步半双工的。图2DALI帧结构3硬件设计应急灯主要由四部分组成：电源、电压监测、通信和主控部分。由于本设计需要电压检测，通信等功能，而普通低档单片机又不能满足我们的需求，所以本设计选择采用Atmel公司的ATmega8单片机作为主要原件实现电平监测、通信和主控功能，它有如下特点：(1)8K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:10000次；(2)512字节的EEPROM，擦写寿命:100000次；(3)1K字节的片内SRAM；(4)23个可编程的I/O口，28引脚PDIP封装,32引脚TQFP/MLF封装,(5)TQFP与MLF封装的8路ADC10位ADC，PDIP封装的6路10位ADC(6)1个可编程的串行USART，1个8位I2C接口(7)可编程看门狗定时(8)5种可通过软件选择的节电模式3.1电源的设计本设计中电源主要应用在照明灯具、控制部分和通信部分的供电。由于主要负载都是小功耗的LED，要求输出功率在5~10W之间，所以选用EE16磁芯即可满足要求。考虑到应急灯的可靠性，体积限制，以及成本等综合因素所以本设计采用PI公司的高集成度TNY256单片开关电源。由TNY256组成的10W、5VDC电源适配器电路如图3所示，交流输入电压范围为85～265V。其中有两组输出，主输出为灯头和单片机供电，辅助输出为被隔离的MAX485供电。图中U2为光磁耦合器，U3为可调式并联精密稳压器，F1为保险丝电阻器。85～265V交流电经过D1～D4桥式整流和C1、C2滤波后，得到约300V的直流高压。鉴于在功率MOSFET关断瞬间，脉冲变压器的漏感会产生尖峰电压，因此，由电阻器R3、C3和超快恢复二极管D5组成的功率MOSFET漏极钳位保护电路，可有效抑制漏极上的反向峰值电压，从而保护TNY256内的功率MOSFET不受损坏。C3选用的高压陶瓷电容器。次级电压通过D6、C6、C7、L3和C8整充滤波后，主输出得到5V、1A的直流输出，同理辅助输出得到5V，0.4A的输出。D6，D7采用肖特基二极管。为了抑制初、次级之间的共模干扰，在初、次级的同名端还并联一只2200pF/2kV的高压陶瓷电容C5。输出电压由精密电阻R7、R8决定。图3电源原理图3.2检测电路的设计检测电路主要负责灯头的故障检测，能够指示故障状态，保证其符合GB17945—2000的规定。检测电路原理如图4所示。图4检测电路原理图所需检测的故障状态主要有两种：短路和开路。其中R3为保护电阻，防止灯头短路时电源处于保护状态而不能为主控制器正常供电；R1和R2为分压电阻。当正常点亮时AD采样点的电压为灯头电压的一半，当出现短路故障时R1、R2被短路，采样点电压为零；当出现开路故障时，采样点电压为电源电压的一半。所以根据这两点即可判断出故障状态，从而进行故障状态检测。3.3通信电路的设计根据DALI协议的规定和实际情况，本设计采用RS-485半双工异步通信总线进行联网，实现应急灯和EPS之间的通信。RS-485的特点如下：(1)平衡传输；(2)多点通信；(3)驱动器传输电压（带载）：≥|1.5V|；(4)接收器输入门限：±200mV；(5)-7V至+12V总线共模范围；(6)最大输入电流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）；(7)最大总线负载：32个单位负载（UL）；(8)最大传输速率：10Mbps；(9)最大电缆长度：1200米。在使用RS-485总线时，如果简单地按常规方式设计电路，系统会因为设备数量多、通信线路远以及现场的各种干扰等，造成通信可靠性、稳定性不高，致使联网系统的质量得不到保证。在实际工程中可能存在以下两个问题：一是通信数据收发不可靠；二是在多机通信方式下，一个节点的故障就会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给故障的排查带来困难。针对上述问题，对485总线接口的软硬件设计采取了改进措施，大大提高了联网系统的可靠性和稳定性。接口设计如图5所示。图5通信电路原理图在应急照明系统中，要对灯具情况进行定时监控及维护，不能因为单个灯具的损坏或异常情况而影响其他灯具，甚至影响EPS的稳定。因此采用光耦隔离电路，将照明部分、单片机系统与RS-485进行信号隔离。此处采用TLP521-1型光耦，电路设计中可以考虑采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片；但是因为通信传输率较低（1200kb/s），出于成本也可以运用优化普通光耦电路参数的设计，使之工作在最佳状态。例如：光耦中发光二极管的限流电阻如果选取得较大，则会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小，则退出饱和会很慢。所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻值略有差异，在电路设计中应特别慎重，通常需要通过实验确定。4软件设计本设计的软件主要有3部分：监测电压、通信和按键检测。其中按键检测为GB17945-2000规定的监测手段。4.1电压采样设计考虑到电路噪声和环境的影响，采样电压判据的上限和下限有1V的间隔。程序流程如图6所示图6电压检测软件测流程4.2按键检测为提高系统可靠性，方便人员巡检，设计了按键可以随时进行应急灯的检测。因为按键检测对于单片机为突发事件，所以采用中断方式解决。程序流程如图7所示初始化数据采集数字滤波器数据在正常范围内是否报告故障状态显示故障标志初始化等待中断是否判断故障状态是否发送故障状态显示故障标志发送已检测标志图7按键检测软件流程4.3通信设计通信是系统中最复杂的部分，其发生对于单片机也有偶然性，中断方式为最好的解决方法。在数据通信中要注意起始位的判断，尽量减小噪声产生的误判断。程序流程如图8所示图8通信软件流程图4.4通信波形分析图9是实际通信过程中逻辑分析仪采集的图形。由于采用曼彻斯特编码所以两个数据标示一位编码。图9（a）是广播发送命令的编码，图9（b）是响应数据编码。图9实际发送波形5结论通过DALI协议和RS-485总线相结合的设计方法弥补了DALI协议通信距离短的不足。使的本设计具有可靠性强、易于维护、电路设计简单、软件设计方便等优点。可满足应急灯具的初始化等待中断否是接收信号数据校验正确否地址判断执行命令否是返回信号是实际需要，为突发时间事件的到来做好准备。参考文献1DigitalAddressableLightingInterface(DALI)ControlDevicesProtocolPART1-2004PublishedbyNationalElectricalManufacturersAssociation2004：3-172中华人民共和国国家标准GB17945-20003沙占有新型单片开关电源的设计与应用电子工业出版社2001：38-49