Elektrotechnika | 9. 9. 2015

Seznamte se s DALI

Moderní doba si žádá moderní řešení. To je samozřejmě otřepaná fráze, nicméně má racionální základ. Moderní domy a stavby se dnes většinou realizují v duchu tzv. chytrých (inteligentních) domů, kdy většina komfortu uživatele je vytvořena různými čidly (teplotními, osvětlovacími, bezpečnostními) a k nim odpovídajícím akčním prvkům, jako jsou kotle, čerpadla, aktuátory vzduchotechniky, ventilace, zvuk a v neposlední řadě i osvětlení. A právě o inteligentním řízení osvětlení v budovách je následující článek, který seznámí čtenáře s technologií DALI, neboli Digital Addressable Lighting Interface.

Historie DALI a DSI

V osmdesátých letech minulého století, tedy kolem roku 1980, vznikl silný tlak v oblasti komerčního prodeje osvětlovací techniky na systém, který by dokázal snadno regulovat zdroje světla za účelem lepšího využití dodávané energie. Prvotní metody řízení regulace byly postaveny na analogové technice, kdy řídicí obvody fluorescenčních zdrojů světla – zářivky, výbojky – reagovaly na jednoduchý signál v rozpětí 0–10 V, který reprezentoval nastavení výstupního výkonu světelného zdroje na 0–100 %. To byl první krok správným směrem, bohužel kabeláže a drátové rozvody při tomto způsobu řízení byly komplikované a ne úplně levné.

Rakouská firma Tridonic byla první společností, která přišla na trh s digitálním řízením osvětlení pomocí vlastního protokolu – DSI (Digital Serial Interface) – v roce 1991. Tento protokol využíval osmibitový, tzv. manchester kód, s přenosovou rychlostí 1 200 baudů, 1 start bitem, 8 datovými bity s intenzitou osvětlení a 4 stop bity. Tím byl položen základ pro protokol DALI, jehož je DSI předchůdcem. Částečně se DSI objevil i v tzv. DMX512 protokolu, který se používá na řízení osvětlení profesionálních reflektorů na jevištích nebo koncertech hudebních skupin. Jak z popisu vyplývá, DSI byl jednoduchý protokol, který přenášel jednu 8bitovou řídicí hodnotu pro všechny světelné zdroje připojené na sběrnici. Co pomohlo tomuto protokolu porazit zmiňované analogové řízení, bylo zejména jednoduché drátování.

Převodníky a kontroléry pracující s DSI potřebovaly pouze 2 vodiče a elektronika byla zapojena sériově, redukujíce tak počet potřebných drátů v porovnání s analogovým řízením. Navíc specifikace připojení nebyla citlivá na polaritu signálů, což umožňovalo lidem bez nějaké hlubší znalosti a speciálních školení sestavit funkční systém.

Výsledné uspokojení počátečním požadavkem centrálního řízení bylo korunováno taktéž silnou finanční úsporou. Protože byl protokol patentově vlastněný firmou Tridonic, jiné společnosti se jej zdráhaly ve svých řídicích systémech využívat. Další nepříjemnou věcí byl samotný nedostatek jednotlivých zařízení podporujících DSI sběrnici. V pozdních devadesátých letech vznikla pracovní skupina DALI-ag, jejíž úkol byl definovat a vymyslet průmyslově široce otevřený digitální protokol pro řízení osvětlení, vhodný pro komerční účely. Bylo také stanoveno logo – (obr. 1). Členové této pracovní skupiny byli zástupci firem jako Osram, Tridonic, ABB, LG, Philips a dalších tehdejších a současných lídrů trhu s osvětlením.

Obr. 1

Požadavky na nový digitální systém byly:

  • nízká cena, jednoduché připojení (kabeláž)
  • možnost řízení jednotlivých prvků sítě samostatně
  • zpětná vazba z jednotlivých prvků sítě
  • možnost přidávat na sběrnici senzory a další jednoduché prvky

DALI specifikace byla finálně uvolněna v roce 2001 a stala se široce přijatou. Od této doby její popularita roste a používá se nejen v komerčním prostoru – jako výrobní, kancelářské a prodejní prostory, ale i v domácnostech. Dokonce se často řídicí jednotky kombinují tak, aby mohly řídit jak DALI, tak DMX prvky. Pro více informací navštivte stránky DALI-ag sdružení [1]. Ačkoli je DALI a DSI protokol velmi podobný, budeme se dále zabývat pouze DALI. Fyzická vrstva sběrnice je stejná, liší se délka a struktura rámců. DSI pracuje pouze v principu „broadcast“, tedy zasílání jedné informace společné pro všechny připojené prvky. To samozřejmě DALI podporuje také, navíc však umožňuje individuální řízení.

Proč DALI?

DALI rozhraní bylo navrženo pro centrální řízení komerčních řešení osvětlení, aby se stalo více efektivní a snadnější pro dálkové ovládání. Zatímco prvotní návrhy byly určené zejména pro elektroniku kolem zářivek a výbojek, tedy fluorescenčních zdrojů světla, nyní je protokol implementován i do řídicích jednotek LED zdrojů, HID (High Intensity Discharge – využívaných zejména u světlometů automobilů) výbojek, a dokonce i nízkonapěťových halogenových řešení. V budoucnu se uvažuje připojování otočných regulátorů, vypínačů, světelných senzorů a dalších DALI kompatibilních zařízení. Odpovídající technická norma pro DALI prvky je shrnuta v IEC 62386.

Obr. 2

Pro sběrnici DALI jsou podstatné čtyři hlavní komponenty:

  • DALI řídicí jednotka – může to být gateway (brána), hub nebo router (směrovač)
  • napájecí zdroj pro DALI sběrnici
  • jednotlivá zařízení DALI sběrnice
  • propojení – dráty, kabely

Na obr. 2 je znázorněno schéma, které může být považováno za subsystém postavený na DALI sběrnici. Každý podsystém se svým kontrolérem může obsahovat:

  • 64 DALI zařízení / kontrolérů
  • každý subsystém musí mít svůj vlastní DALI zdroj (DALI Bus PSU)
  • každé zařízení připojené do subsystému má svoji krátkou adresu (short address) 0–63
  • v subsystému se NESMÍ vyskytovat dvě a více zařízení se STEJNOU krátkou adresou (short address)
  • každé DALI zařízení může být přiřazeno do jedné ze 16 skupin (0–15)
  • každé zařízení může mít uloženo ve své paměti až 16 tzv. scén (0–15)

Typické aplikace

DALI systém může být použit v jakémkoli systému, který vyžaduje centrální řízení individuálních světelných zdrojů. Mezi klasické aplikace může patřit:

  • osvětlení komerčních a kancelářských prostor
  • osvětlení divadelních scén
  • osvětlení ve veřejných prostorech, jako nemocnice, letiště

Existuje zde několik omezení, které DALI systém ve své současné podobě (revize 1) má :

  • malá přenosová rychlost
  • relativně nízký počet zařízení v rámci subsystému – max. 64
  • dostupné prvky na trhu pro DALI systém

DALI topologie a prvky sítě

Ohledně termínů připojení a topologie existují rozdíly mezi DALI a DMX sběrnicí. Zatímco DMX je striktně založena na řetězcovém spojování prvků, DALI je jednoduchá sběrnice, která se může rozbíhat do různých směrů a rozdělovat do různých větví. DALI podporuje mnoho rozdílných zapojení kabelů, nicméně z hlediska trasování a odhalování příp. chyb je doporučeno dodržovat logické uspořádání. Následují dva příklady logického uspořádání – hvězdicové (obr. 3) a lineární–sériové (obr. 4). „D” značí DALI zařízení – ať už např. světlo nebo spínač.

Obr. 3, 4

Jako standardní kabel na spojování zařízení je doporučeno používat vodiče o průřezu min. 1,5 mm2. Celková délka kabeláže jednoho subsystému nesmí překročit 300 m. Celková spotřeba všech připojených DALI zařízení nesmí překročit odběr proudu 250 mA, rozumí se odběr proudu ze sběrnice. Na celém úseku vedení DALI sběrnice nesmí překročit úbytek napětí z PSU (Power Supply Unit) 2 V. Pro minimalizování tohoto úbytku je vždy vhodné, aby DALI napájecí jednotka byla umístěna uprostřed zamýšlené kabelové struktury a rozdělovala ji tak na dvě stejné části. Na obr.5 je znázorněn rozdíl mezi DMX a DALI topologií.

Obr. 5

Vlastní zapojení kabelu je uvedeno na obr. 6, popř. obr. 7. Signály je dovoleno vést přímo v kabelu přivádějícím napájecí napětí k výkonovým prvkům subsytému. Velkou výhodou DALI sběrnice je její nezávislost na polaritě napětí signálu. DALI napájecí zdroje jsou vlastně zdroje stejnosměrného napětí s proudovou limitací a signál je vytvářen „zkratováváním“ tohoto proudového zdroje. Tato jednoduchá metoda generování digitálního signálu podstatně zjednodušuje instalaci, neboť není nutné dodržovat barevné značení vodičů s DALI signálem – nepotřebujeme při instalaci používat žádné měřicí přístroje pro identifikaci kladné a záporné svorky.

Obr. 6, 7

Jak bylo naznačeno v předchozím odstavci, podle DALI specifikace jsou napájení a data přenášeny na stejném páru vodičů. Z elektrického hlediska je napětí na sběrnici přepínáno vysokou rychlostí mezi nízkou (logická úroveň 0) a vysokou (logická úroveň 1) hladinou, která vytváří datovou komunikaci. Na rozdíl od DMX žádný DALI kontrolér nedodává standardně na sběrnici napětí, proto je vyžadován externí zdroj. Je pravda, že některé kontroléry mohou mít pro zjednodušení vlastní zdroj implementován, obsahují však přepínač, kterým lze zdroj připojit nebo odpojit od sběrnice. Typický DALI zdroj je na obr. 8.

Obr. 8

Obsahuje dva výstupy, ale jsou vlastně zapojené paralelně, takže dokáží napájet pouze jeden okruh – subsystém. Existují zdroje s více nezávislými výstupy – potom každý nezávislý výstup 250 mA musí napájet samostatnou DALI podsíť. DALI specifikace vyžaduje, aby výstup zdroje byl 16 V, stejnosměrných s proudovou limitací 250 mA. Dle normy IEC 60929 musí být reakce proudové limitace zdroje kratší než 10 μs. Předpokládá se, že samotná spotřeba senzorů připojených ke sběrnici může být max. 2 mA/senzor.

K dosažení napěťových úrovní logické 0 a logické 1 vysílací zařízení, ať už kontrolér nebo svítidlo či senzor, musí umět toto napětí na sběrnici „zkratovat“ – tím se vytvoří úroveň odpovídající logické 0. Pokud je sběrnice nezkratovaná, odpovídá její napěťová úroveň logické 1. Toto je důvod pro požadavek proudového omezení zdroje na 250 mA. Hlavní důvody, proč je zvolen takový způsob modulace a přenosu signálu, jsou následující:

  • zapojení prvků na sběrnici je flexibilní. PSU by měla být ve středu sběrnicové topologie, ale může být samozřejmě i v krajních částech, pokud to není konstrukčně možné
  • rozmístění prvků a zdroje má redukovat úbytek napětí
  • prvky jako senzory (vypínače, detektory) mohou být ze sběrnice napájeny

Pro flexibilitu elektrického zapojení a dodržení specifikace napětí na sběrnici musí být poněkud vyšší než v jiných systémech pro kompenzaci případného napěťového úbytku na vodičích. Napěťové úrovně jsou specifikovány mezinárodním standardem IEC 60929 takto:

  • vysoká úroveň – logická 1 – odpovídá napětí 16 V (dovolená tolerance je 9,5 až 22,5 V DC)
  • nízká úroveň – logická 0 – odpovídá napětí 0 V (dovolená tolerance je -4,5 V až +4,5 V DC)
  • povolený úbytek napětí na celém rozvodu (mezi zdrojem a koncem vedení) jsou 2 V
  • nominální napětí na sběrnici je stanoveno na 16 V

Ukázka napětí a časového průběhu na DALI sběrnici dle [2] je na obr. 9.

Obr. 9

DALI protokol podrobněji

DALI pracuje na principu sériového přenosu dat tzv. manchester protokolem o přenosové rychlosti 1 200 baudů, tedy 1 200 bitů za sekundu (pro porovnání, DMX protokol pracuje s přenosovou rychlostí 250 000 bitů za sekundu). Řídicí jednotka DALI může posílat různé typy příkazů do zařízení, a proto používá na rozdíl od jednoduchého DMX (DSI), poněkud složitější strukturu. Níže je zobrazena zjednodušená struktura DALI rámce:

DALI kontrolér posílá data vždy, když potřebuje provést nějakou změnu. První část rámce je tzv. short address neboli přímá adresa zařízení, se kterým se komunikuje, pokud se nejedná o broadcast zprávu, která je určena všem zařízením v síti. Druhá část rámce je vlastní příkaz, který se má vykonat, a třetí část jsou doplňující data k posílanému příkazu – ne vždy jsou vyžadována – např. příkaz pro okamžité zhasnutí osvětlovací jednotky nevyžaduje žádné parametry. Používaná struktura rámce dovoluje řídicí jednotce disponovat rozsáhlou množinou různých příkazům, jako jsou úrovně, zjišťování stavů nebo dotazů, bez nutnosti použití různých typů rámců.

Všechna DALI zařízení musí být před prvním uvedením do provozu správně nastavena z hlediska použité adresy. Pokud není možnost nastavit tyto adresu ručně nějakým přepínačem na jednotce, pak musíme využít speciální pomocné zařízení, např. DALI-Scope (obr. 10) a speciální commissioning mód – tedy počáteční uvedení do provozu. Protože v tomto okamžiku nemá DALI zařízení ještě nastaveno svoji finální adresu, obsahuje obslužný program v každém zařízení generátor náhodných čísel, který vytvoří dočasnou adresu pro funkcionalitu při prvotním zapojení do sítě. Pomocí uvedeného DALI-Scope testeru se takto identifikují připojená zařízení náhodnými adresami, které je ve finále možno – a někdy i doporučeno – změnit pro dosažení např. logického číslování. Při přidávání dalšího prvku do již nastavené sítě je nutné vyvarovat se přidělení stejné adresy, kterou již některý prvek obsahuje. Commissioning se provádí pouze jednou.

Ve funkční DALI síti používá řídicí jednotka zpravidla 4 adresovací módy:

• Broadcast – Broadcast zpráva se posílá všem zařízením připojeným na sběrnici, všechna zařízení ji musí akceptovat, pokud to vyžaduje jejich povaha, např. nastavení intenzity všech připojených osvětlovacích jednotek na 50 %.

• Channel – Jednotlivé nastavení některého ze 64 připojených zařízení – rozsah 0–100 %, např. Channel 32 @ 100 % – tedy zařízení na adrese 32 nastaví svoji intenzitu na maximum.

• Group – Každé zařízení přiřazené do jedné ze 16 skupin změní svoji intenzitu. Např. Group 10 @ 95 % – tedy všechna zařízení ve skupině 10 nastaví svoji intenzitu na 95 %.

• Scene – Každé zařízení může mít ve své EEPROM paměti přednastaveny intenzity pro tzv. scény. Vyvoláním této scény se zařízení nastaví dle uložených parametrů. Pokud se tedy pošle zpráva „Scene 2 Go“, všechna zařízení nastaví svoje intenzity osvětlení podle hodnoty uložené na paměťové pozici „scéna 2“. To umožní okamžitou změnu celého systému osvětlení.

V DALI rámci může být v jeden okamžik poslán pouze jeden příkaz, pokud tedy chceme nastavit postupně všech 64 zařízení, musíme poslat 64 příkazů. To může trvat sekundy, na rozdíl od rychlého datového přenosu v DMX struktuře. Tomu se dá částečně předejít právě předprogramováním určitých „scén“, kdy k okamžitému nastavení stačí poslat pouze jeden příkaz. Další možností je použití možnosti příkazu s automaticky řízeným stmíváním nebo rozsvěcením, kdy časová změna intenzity už není řízena přímo sběrnicí, ale samotným zařízením, kterému byl poslán požadavek, např. změň intenzitu ze 100 % na 10 % během 2 vteřin. Jak je z výše uvedených příkladů komunikace patrné, většina osvětlovacích jednotek (hlavně fluorescenčních lamp) používá k nastavení intenzity procentuální vyjádření. Tabulka 1 obsahuje nejpoužívanější příkazy DALI sběrnice.

Často se hovoří ve spojitosti s DALI a DMX o tzv. „dimming curves“, neboli závislosti intenzity osvětlení na nastavené hodnotě. Zásadní rozdíl je, že v případě DMX je závislost mezi nastavením intenzity a hodnotou lineární – používá se rozsah 0–255. V případě DALI sběrnice se používá hodnota 0–100 %, ale závislost je nelineární – viz obr. 11.

Obr. 11

Vysvětlení pojmů, které se v popisu nebo zahraniční literatuře mohou vyskytovat:

  • Ballast – technicky vzato obvod okolo zdroje světla – měnič, usměrňovač, driver – který zabezpečuje správný a řízený stav tohoto zdroje – často je to ve spojitosti s fluorescenčními lampami/zářivkami
  • Bus – dráty (vodiče) pro datový rozvod
  • Circuit – jednoduchá DALI sběrnice – viz Subnet
  • Commissioning – prvotní fáze nastavení zařízení na DALI sběrnici (subnetu)
  • DALI – Digital Addressable Lightning Interface
  • DALI Bus PSU – přítomnost napájecího zdroje je nutná podmínka funkční DALI sběrnice. Často jsou to samostatná zařízení – ideálně ve střední části DALI rozvodu
  • Device – DALI zařízení, obyčejně světlo (zdroj světla) nebo senzor (světelný), vypínač…
  • DMX512 – protokol pro řízení osvětlení pro profesionální účely – jeviště, hudební scény, kluby
  • DSI – Digital Signal Interface
  • Gateway, Hub, Router – zařízení umožňující překlad datové komunikace mezi různými systémy např. DALI/DMX/KNX/DSI
  • Group – skupina zařízení v DALI systému reagující na stejný příkaz
  • Scene – nastavení intenzity osvětlení uložené v zařízení na příslušné paměťové pozici
  • Short Address – jednoznačná identifikace DALI zařízení v síti – je unikátní od 0 až 63
  • Subnet – totéž to Circuit – část sítě DALI s jedním kontrolérem a jedním zdrojem

Pokud se podíváme na detailní komunikaci, musíme si vysvětlit, jak takový manchester kód vypadá. Jedná o tzv. bi-phase kódování – viz obr. 13. V klidu je linka v úrovni H. Pro zahájení přenosu je třeba odeslat první, synchronizační bit. Jak si můžete všimnout, manchester kód má tu vlastnost, že pro určení, zda se jedná o 0 nebo 1, není podstatná velikost úrovně, ale její „změna“. Logická 1 tedy nastává při změně L->H a logická 0 při změně opačné, tedy H->L – obr. 12. Tato metoda má významnou výhodu v tom, že každý bit nese informaci o bitové/přenosové rychlosti, a tedy má v sobě zahrnuté i časování (hodinový kmitočet). Daní za to je potřebná dvojnásobná šířka pásma než bitová rychlost. V obrázku je rovněž naznačeno časování, tedy délky pulsů. Délka jednoho bitu je 833.33 μs. Bit s nejvyšší hodnotou – MSB – je vyslán jako první. Tolerance v rámci DALI musí být ±10 %.

Obr. 12

Obr. 13

DALI rozlišuje dva typy rámců – tzv. dopředný rámec (forward frame) a zpětný rámec (bacward frame). Struktura forward rámce je na obr. 14, struktura odpovědi, neboli backward rámce je na obr. 15.

Obr. 14

Obr. 15

Význam jednotlivých bitů pro forward rámec – obr.14:

  • S = start bit, vždy logická 1
  • YAAA AAAS = adresa
  • I = stop bit, klidový (idle) stav

Adresovací schéma pro adresu YAAA AAAS:

• Y = 0 oznamuje individuální nebo krátkou adresa

  • Adresa má strukturu 0AAA AAAS (adresy 0–6)

• Y = 1 oznamuje adresu skupiny nebo broadcast

  • Adresový byte pro adresu skupiny 100A AAAS (adresy 0–15)
  • Adresový byte pro broadcast 1111 111S

• S = selector bit

  • Pokud je 0, pak datový byte obsahuje přímo velikost požadované intenzity osvětlení
  • Pokud je 1, pak datový byte je příkaz

• Speciální příkazy mají hodnoty od 1010 0000 do 1111 1101

Význam jednotlivých bitů pro backward rámec – obr.15:

  • S = start bit, vždy logická 1
  • XXXX XXXX = datový byte
  • I = stop bit, klidový (idle) stav

Pokud je hodnota backward rámce 0×FF, pak se v případě odpovídajícího dotazu z forward rámce považuje za „ANO“. Pokud místo odpovědi je linka stále ve stavu idle, pak se danému stavu rozumí jako odpověď „NE“. Ostatní odpovědi závisí na dotazu odeslaném forward rámcem.

Časování rámců souvisí jednak s přenosovou rychlostí, jednak s očekávanou odpovědí. Jak již bylo zmíněno, přenosová rychlost je 1 200 bitů za vteřinu s prostorem pro korekci případných chyb časování v toleranci ±10 %. Pokud poloviční dobu trvání symbolu označíme „Te“, která je 416,67 μs, potom forward rámec trvá 38 Te, což je 15,83 ms. Backward rámec trvá 22 Te, což odpovídá času 9,17 ms. Časová prodleva mezi dvěma sousedními rámci musí být nejméně 22 Te. Doba mezi forward rámcem a odpovědí backward rámce musí být větší nebo rovna 7 Te a menší než 22 Te. Potom čas mezi backward rámcem a dalším forward rámcem musí být minimálně 22 Te. Vše je naznačeno na obr. 16.

Obr. 16

Vlastní dekódování rámců je již na platformě závislé. Jako nejjednodušší metodu dekódování manchester kódu doporučuji měřit délku bitů interním časovačem mikrokontroléru a dekódovací logiku postavit na tzv. stavovém automatu.

Závěr

Článek podrobně představil a detailně rozebral sběrnici DALI, což je jedna z technologických možností pro řešení výstavby tzv. inteligentních domů. Využití DALI sběrnice je pro centrální řízení osvětlení nejen v rodinných domech, ale i v komerčních a průmyslových objektech. Pomocí čidel a senzorů podstatně zjednodušuje celou elektroinstalaci tím, že snižuje počet nutných kabelů, a tím i celkové finanční náklady na realizaci osvětlení.

Ondřej Pavelka

shop.onpa.cz, vyvoj@onpa.cz

Literatura a odkazy:

[1] DALI oficiální web www.dali-ag.org

[2] S. Hussain, Digitally Addressable Lighting Interface (DALI) Communication (AN1465), Microchip Technology Inc.

[3] The DALI Guide, version 3-0 [online]. [Cit. 2.8.2015]. Dostupné z: www.artisticlicence.com/WebSiteMaster/User Guides/the dali guide.pdfObr