数字控制在工业照明装置中的重要性分析

不断增加的势头，不可避免地受到保护等财政问题的驱动，在开发替代或可再生能源以替代或补充传统能源发电的背后。很少有人会看到正在建造更多的发电厂或者使用地球上有限的自然资源，只是为了产生更多的能量，但为了维持负担得起的能源，这就是我们现代社会所要求的。

随着这种势头的出现，决策者们越来越意识到他们如何消耗能源，以便照亮我们的街道，制造商品和为我们的房屋供暖，最好能够得到应用。同样，能源供应商有义务帮助这些决策者，不仅通过提高能源产生的效率，而且提高能源的分配，消费和解决方式;所有这些都发生在需要较低单位成本的经济环境中。正是这种“动态”正在形成对所谓的智能能源的真正需求。

自从交流电的发展使得远距离的电力分配成为现实，已经被用来为我们的生活带来光明。作为最古老的行业之一，照明技术仍然处于领先地位;照明行业正处于向更有效的解决方案过渡的持续状态。

历史证明了这一点;荧光灯在白炽灯上的最终胜利需要镇流器形式的控制元件，顺便提一下，它有助于开发更高效的高频管和引入数字镇流器。如今，该行业正在向LED照明的采用过渡，LED照明提供更高的能源效率和更高的控制光装置的可能性，例如调整色调。在工业应用中，由于其相对低的成本和高输出效率，高频荧光灯可能仍然占据主导地位，但高亮度LED解决方案的开发也将不可避免地突破这一领域。

照明控制协议

可以说，数字镇流器的引入标志着照明行业的重大变革。它提供了一个机会 - 加上使用更高的频率 - 更准确地控制配件的光输出。这种控制自然落在数字镇流器核心所用的微控制器的范围内。今天，有许多适用于此应用的微控制器示例，由不断增加的开发工具包和软件生态系统提供支持。数字镇流器现在是所有现代照明解决方案的关键;高频荧光灯和高亮度LED。

控制结构提供了实现分布式系统的能力，同样，由嵌入式微控制器实现的数字镇流器提供了完美的平台。有必要协调分布式控制，照明行业在一定程度上标准化了两种协议; DMX512（代表具有多达512个数据包或“数据切片”的数字多路复用）和DALI（数字可寻址照明接口）。

DMX512是由戏剧行业开发的，但后来被其他行业采用，可以控制各种环境下的可调光镇流器。它是一种基于差分对的异步总线，使用与RS-485相当的信号电平，具有可变长度的数据流。它的拓扑结构允许从器件以菊花链形式连接;然而，由于它是单向的，因此每个字符串（或“宇宙”）的奴隶限制为一个控制器。

即使是适度的8位微控制器，实现DMX512通信“宇宙”也相对简单。在具有UART模块的器件中，只需要一个外部RS-485兼容收发器，如图1所示，它描述了一个典型的实现。连接到Universe的每个从站都可以分配512个可能的通道中的一个。在操作中，控制器重复发送数据（至少每秒一次），克服了协议缺乏正式握手功能。该协议最关键的部分是脉冲定时，类似于脉冲宽度调制拓扑，其中每帧的起始和停止标记必须满足特定的定时要求。这些被称为中断前的标记，或MBB，中断后的标记（MAB）和中断本身。数据帧可以是任意长度，因此微控制器能够识别MBB和MAB标记至关重要。

图1：使用微控制器的典型DMX512接口。

8位数据帧允许256个离散调光级别，其中0表示关灯，255表示全亮度。但是，由于没有握手，错误检查或纠正，因此在安全性至关重要的情况下不使用协议，但它是一种极其简单的协议，可以在低成本的微控制器中轻松实现。

DALI还使用差分信号，但允许双向通信，支持多达64个独立镇流器，16组，以及向整个网络广播的能力。它比DMX512协议相对复杂，但具有显着优势，同时仍能够在低成本和低功耗微控制器中实现 - 其中一些现在具有专用的DALI接口。

图2：数字镇流器可以通过简单的网络远程调节单个灯光。

它还提供256个离散调光水平，但它们自动实现为对数曲线（图2），在人眼更敏感的较低亮度水平下提供更自然的控制。由于每个DALI镇流器都可以传输和接收，因此协议支持使用专用命令进行诊断和故障控制。这使镇流器能够传递其状态;可以查询和报告所有设置，例如淡入淡出等级，灯泡状况和一般故障。该协议还支持与地址无关的特殊命令，它提供广播功能。 DALI接口与微控制器光学隔离，图3显示了一个简单的接口电路。

图3：微控制器与DALI网络的接口。但是，虽然DALI比DMX512有许多优点，但它并非没有限制，包括最大电缆长度为300米或整个长度的电压降为250 mV，最多64个节点。

许多制造商通过一系列MCU，固件，参考设计和评估平台支持一种或两种协议。

蓬勃发展的市场

在工业应用中，“智能”照明系统的使用量增加，这可以解释占用率，时间甚至是自然日光水平。使用单个微控制器，可以连接到一系列低成本传感器，这些传感器提供可在本地使用的环境数据，或通过DMX512/DALI接口在更广泛的灯光网络中使用。

数字镇流器可以使用连接到DMX512 Universe或DALI网络的外部微控制器进行控制。改造这种控制水平在大型装置中尤其具有吸引力，例如工业制造厂或仓库，其中可保留现有的基础设施。恩智浦半导体创建的应用笔记提供了如何实现这一目标的示例，该应用笔记详细介绍了恩智浦基于ARM Cortex-M0的微控制器之一LPC1112如何用于创建DALI从机，从而控制数字镇流器。

同样针对DMX512协议的是Microchip的DM330014评估/开发套件。它采用Microchip的dsPIC33‘GS’DSC（数字信号控制器）系列器件，专门用高亮度LED替代白炽灯或荧光灯，因为它使用DMX512协议来控制RBG LED。

图4：Microchip的照明评估套件基于该公司的低功耗dsPIC 33‘GS’DSC系列。

意法半导体拥有针对DMX512和DALI的解决方案。它提供ST7DALIF2，具有8位微控制器内核和专用DALI接口，以及基于ARM Cortex-M3的STM32F103x。这两款器件均可从Digi-Key获得，此处介绍的其他器件和评估套件也是如此。

那些不确定DALI或DMX512是否适合其应用的协议可能会发现赛普拉斯的CY3267 PowerPSoC照明评估套件非常有用。 PowerPSoC在这里提到的微控制器中是独一无二的，因为它不仅仅是一个微控制器;除了具有集成的DMX512接口外，它还具有四个N沟道FET形式的功率元件，能够在高达32 V的电压下工作。逻辑和电源的集成使PowerPSoC成为照明应用的理想选择，同时也是许多其他需要使用FET进行功率开关的应用。

图5：赛普拉斯的PowerPSoC还集成了N通道FET，在单个封装中提供控制和电源开关。

智能照明的未来

智能能源阵营中“没有新电线”的想法很强烈;它以低成本安装和改造控制解决方案为基础，使现有装置能够在很少或不需要额外成本的情况下变得“智能”。出于这个原因，为了获得对能耗产品的控制而安装额外电缆的前景可能被视为不必要的障碍。在新的照明装置中，两条额外的电线可以承受DMX512/DALI控制信号的开销，这可能是可以忍受的，但绝大多数节省可以在现有的安装中进行，其中投入新电缆的成本会非常高。

由于这个原因，最近在电力线通信（PLC）的使用方面取得了重大进展。最值得注意的是，2011年12月，国际电联（国际电信联盟）宣布已批准三项全球窄带PLC标准，希望这将有助于启动“智能电网”市场。 PLC可以为照明控制提供显着的优势，因为它可以有效地控制现有电力线，同时将控制网络扩展到单个或本地安装之外。

具体而言，国际电联与两个行业联盟共同制定了三项新标准; G3-PLC联盟和PRIME联盟。 Maxim是G3-PLC标准的关键主角，而德州仪器和意法半导体则是两者的成员。由于两种标准都经过现场验证，因此已有解决方案，例如Maxim的G3-PLC芯片组（参见MAX2990）。这些控制器可以轻松地与基于DMX512/DALI的照明系统协同工作，并且可能有一天完全不需要额外的电缆。

结论

100多年来，照明行业一直走在创新的前沿，可以说是电子行业最具前瞻性的行业。它在向智能能源过渡方面发挥着重要作用。

实际上，如今所有的全球应用程序都是由本身使用协议的标准驱动的;它们提供灵活性并保证互操作性。 “智能家居”的概念可能仍处于萌芽状态，但数字控制在工业照明装置中的应用已经很好地建立并且正在增加。此处突出显示的专用解决方案表明，有进一步增长的空间。

通过专用微控制器解决方案支持照明协议，半导体行业也在发挥其作用，帮助满足智能控制的需求，这将继续确保我们必须以最负责任的方式生成和消耗能源可能的。