满足DALI规范需求 恩智浦32位MCU助力打造智能灯控系统 智能, 技术

我是MT

32位MCU将助力打造智能灯控系统。由于32位MCU较8位方案配备更丰富的周边，能即时将灯泡状态透过DALI汇流排传递至主控台，以实现自动开关、调光等智能灯控功能，因而成为智能照明系统设计的主流方案。
　　由于传统灯控系统的电源回路和控制回路是做在一起的，当开关一开启，整个电源回路也随之开启，导致部分没有使用需求的灯具也因此跟着被开启，造成许多电力资源浪费，因此催生市场上亟需智能化照明产品的需求。
　　随着节能减碳的时代来临，新的智能灯控技术纷纷出炉，例如数位可定址照明介面（DALI）、DMX512、KNX等，这些智能灯控技术的出现，将控制回路自电源回路分离，使得每个灯具可独立受到控制；且由于加入了微控制器（MCU）后，每个灯泡也可主动随周围环境的昏暗自动调光，还可即时将目前灯泡的各种状态，如灯光亮度、耗电量、周围温度、情境模式状态或损坏情形透过DALI总线传递至主控台，如此一来主控台前的管理员再也不用耗费时间至各个楼层或房间巡视哪个灯没关或哪个灯泡损坏；透过MCU的控制与回报，就可以让所有灯具状态一览无遗；此一方式不仅可大幅节省人力资源与成本，也能有效的运用每个电力资源，真正实现智能照明控制。

　　导入32位MCU后，照明灯具将可望实现智能灯控应用，图片来源：NXP

　　实现即时监控与回报　32位MCU大受市场青睐
　　讲到智能灯控就不能不提到DALI技术，此一技术是从1-10伏特（V）模拟照明控制器系统开发而来，之后由国际电工协会（IEC60929、IEC62386）在2002年正式订定开放式照明通讯规範。透过此规範让每个灯具控制器都有专属的地址，可自行判断所收到的资料，也可以储存资料，且有两百五十四阶的亮度调节，并具备双向通讯功能。
　　以往要符合DALI规范可以透过8位微控制器完成，但使用8位微控制器时，一旦遇到有时间要求的资料（例如曼彻斯特码），处理速度往往不够即时；同时，在一些复杂的运算上又须使用其他的方式完成，例如建表，但建表却又会增加On-chip记忆体空间；On-chip记忆体增加意味着成本的增加。
　　有鉴于此，若要达成四个脉衝宽度调变（PWM）的主控制晶片的输出，8位MCU的计时器只有8位，解析度只有0？255，无法实现DALI要求的0.1？100%的灯光亮阶；加上若是四个PWM须同时能够改变频率和工作週期，对8位MCU而言可说是极大的挑战，且还须外挂EEPROM以储存资料，也没有相对应的省电模式等，而上述的诸多缺陷，在32位MCU即可轻松解决还具备许多附加功能。
　　以恩智浦（NXP）的32位MCU LPC1114为例，工作频率45DMIPS，在32位MCU中并非最快的，但在智能灯控中已足以处理复杂的运算。此一MCU工作电压範围仅1.8-3.6V，可让MCU运作更久，以延长产品寿命。另外，该款32位MCU还内建四种省电模式，其中Deep Power Down模式让MCU在维持运行下只消耗220奈安培（nA），以目前市面上的32位MCU产品而言，该产品的确相当省电。
　　相较于过往8位MCU，这款32位MCU具备四个独立计数器，两个32位、两个16位，相对于DALI系统的要求，虽然一个16位的计数器就可达成，然而四个独立的计数器可以输出四个独立的PWM讯号去推动四组不同的灯具，进而创造出情境模式。
　　一般而言，PWM通常多达十二组，所以可灵活运用拿来当第二组DALI控制串口，如此一来即可再省一颗MCU的成本。而内建的数位模拟转换器（DAC）可提供镇流器厂商在PWM驱动灯泡之外，多一项驱动灯泡的选择；八个通道模拟数位转换器（ADC）则可同时侦测温度、电压及电流；透过优化代码除能够提升运行效率外，也能降低代码容量，多出来的Flash空间还可以透过On-chip的烧录函式作为EEPROM使用。On-chip通用序列汇流排（USB）节点，还可结合现成无线通讯节点将讯息传递给主控台。综合上述特性，以下将开始介绍以32位MCU为例，所实现的智能灯控系统。
全面取代8位MCU　32位MCU优势尽现
　　如图1所示，此为使用32位MCU所设计的DALI从机（Slave）原理图。图中的光耦合器OK2除能够隔离讯号让MCU不被干扰外，MCU还能透过此光耦合器将主控端需要的讯息转成DALI讯号传递出去；当MCU端透过发送（TX）传递高位準讯号，此高位準讯号并不会让光耦合器OK2导通，因为 OK2没有导通，所以T1也不导通而使得DALI讯号输出为高位準，反之当MCU端透过TX接脚传递低位準讯号，使得光耦合器OK2导通，当OK2导通使 T1也导通而让DALI讯号输出低位準给32位MCU，之后再配合32位MCU高效能的运算速度完成演算动作，并且做出迅速，且正确的输出动作。

　　

　　图1 利用32位MCU所设计的DALI从机原理图

　　值得一提的是，在图1元件R3可选用390欧姆的阻值，这是为了使叁极管T1能够稳定进入饱和状态，如此一来可以有效的让DALI的工作电流合乎规範。
另一项重要的改良则是电流管理元件U1，透过这个电流管理元件除了可以限制输入到MCU的电流来保护MCU之外，当DALI总线为关置状态时，由于电流管理器仍然维持着1毫安培的输出给MCU，这样的好处是可以稳定每个被MCU所推动的灯泡，传统的设计少了这个动作，往往容易使DALI总线从关置状态忽然收到命令要求MCU做反应，如此一来容易会造成灯泡快速的闪烁，所以透过电流管理元件U1可以有效地改善灯泡闪烁现象。
　　图2为实际完成的DALI从机电路，设计精简但功能完善；电路板上除了实体层通讯口（包含桥式整流器、光耦合器与定电流源）、MCU及灯具控制讯号输出接脚之外，还留有供调试用的串口。

　　

　　图2 已完成的DALI从机电路

　　为了实现整体智能灯控系统，除了DALI从机之外，设计人员还必须要可以发送DALI讯号的主机端，图3是实际完成的DALI主机板，主要由叁个区块组成：分别是实体层传输（桥式整流、光耦合器与定电流源）、MCU与调试串口以及USB通讯接口。

　　

　　图3 已完成的DALI主机板

　　DALI主机的实体层传输电路及原理和DALI从机相同，所以在此不重复说明，USB的部分主要是接收来自主控台或是电脑端传来的命令；在这裡的设计我们选用USB 2.0全速模式，并透过HID的方式接收电脑端送出的命令，也因为採用HID方式传输，所以并不需要额外的驱动程式，有利快速完成系统设计。
图4是DALI主机USB端的电路图，电脑端的D+讯号线透过1.5K欧姆的提升电阻R12和金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）Q1和MCU完成资料正端的资料连接，此设计的目的是为了在决定建立一个USB连线之前，MCU的USB软连接特性可透过软体完成自我初始化动作，而且USB总线的重新初始化也可不用重新插拔串口线即可完成。

　　

　　图4 DALI主机USB端电路图

　　有了DALI从机与DALI主机，在电脑上设计人员只须要再架设一套应用程式就可完成整个智能照明系统的监控。
　　图5是整个DALI智能灯控的架构图，从图上可以很清楚理解使用者只要在电脑上安装应用程式并输入要下达的命令，例如想製造出紫色的灯光效果，只要使用应用程式上的ARC COMMAND调光，该要求就会自动透过USB总线传给DALI主机，DALI主机端再转成DALI总线讯号发送给对应的DALI从机，从机收到命令后，将根据命令内容各别控制每个灯泡以产生紫色的灯光效果。反之，若是灯具有任何损坏，在DALI从机上的MCU会主动的将情况回报至电脑端，所以在智能灯控下，每个灯泡除了可以记忆上次的灯具使用模式之外，任何的状况讯息都可以透过电脑端的汇整，而进一步得知即时的情况。

　　

　　图5 DALI智能灯控架构图

　　智能节能有一套　32位MCU立大功
　　由于全球资源有限加上气候暖化等影响，节能减碳已不再是口号，因为它直接影响社会经济，也让全球气候变迁的影响越来越明显。
　　节能须落实在生活细节当中。因此，如何让产品更聪明、更省电、更人性化将是未来智能灯控的规画目标。以现阶段的32位MCU而言，在类比端可随时侦测电压、电流与温度等外在变化，以做出聪明的决策，例如过电压保护、过电流保护或过温保护。
　　事实上，未来照明灯具还可做出更聪明的自我修复动作；如在输入端可结合触控面板，在通讯端可以结合各种数位通讯，或搭配的无线通讯技术的技术，透过无线传递讯息，甚至研究用无线节点取代有线节点等应用。
　　儘管传统的灯控系统行之有年，但现今仍有许多尚待改良之处，未来透过新的32位MCU技术进行改善，不仅可以让性能大幅提升，硬体线路也势必将更为精简、更易维护。
　　未来随着发光二极体（LED）照明灯具的普及，势必也将突显使用32位MCU强大的运算与处理性能综效，而此一趋势也让原本较为单调的灯泡与开关透过32位MCU的处理后，可望更为省电、并充满人性化，且同时还可以具备高效率的智能控制功能。