HID燈電子鎮(zhèn)流器控制電路和數(shù)字可尋址照明接口(DALI)的通信接口規(guī)范的FPGA實現(xiàn)

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況

答：項目名稱為：HID燈電子鎮(zhèn)流器控制電路和數(shù)字可尋址照明接口(DALI)的通信接口規(guī)范的FPGA實現(xiàn)。

主要內(nèi)容：

（1）、通過A/D采樣電子鎮(zhèn)流器的Buck電路得到電壓和電流的數(shù)字值。運用數(shù)字電路構(gòu)成PID算法，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，產(chǎn)生PWM脈沖信號，實現(xiàn)對HID燈的恒流和恒功率控制，以達到精確調(diào)光和穩(wěn)定工作。

（2）、將DALI通訊協(xié)議融合到FPGA中去，達到主計算機對HID燈電子鎮(zhèn)流器組群的控制和通信，以實現(xiàn)根據(jù)實際環(huán)境和需要對HID燈的精確調(diào)光和狀態(tài)查詢。

目前進展情況：DALI部分主程序已經(jīng)完成，編譯通過，并正在仿真調(diào)試。PID部分正準備開始。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點的論述；

答：（1）、用FPGA代替MCU來實現(xiàn)對HID電子鎮(zhèn)流器的控制及調(diào)光。

（2）、將DALI通訊協(xié)議融入控制芯片，方便外界對電子鎮(zhèn)流器的監(jiān)測和控制。

（3）、用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)實現(xiàn)對HID燈的精確調(diào)光。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

答：現(xiàn)有HID電子鎮(zhèn)流器的控制一般是用MCU加專用控制芯片來實現(xiàn)，然而，現(xiàn)階段絕大多數(shù)比較成熟的電子鎮(zhèn)流器的控制芯片都是針對熒光燈的，針對HID燈的電子鎮(zhèn)流器的控制芯片幾乎呈現(xiàn)空白狀態(tài)。但我們對HID燈電子鎮(zhèn)流器比較熟悉，因此我們認為我們的設(shè)計具有可實現(xiàn)性。

經(jīng)過系內(nèi)專家及相關(guān)資料論證，我們的設(shè)計具有可靠性，具體可靠性我們會在整個設(shè)計完成后，配合已設(shè)計好的外圍電路加以確認。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實施本項目的技術(shù)方案。

以下第一幅圖是我們的ＤＡＬＩ的系統(tǒng)功能框圖，所謂ＤＡＬＩ（Digital Addressable Lighting Interface），是一種數(shù)字式可尋址照明通訊協(xié)議。

由圖可知，我們的系統(tǒng)采用放電型上電式復(fù)位的結(jié)構(gòu)。上電后正常情況是rst=1，從而對各信號進行賦初值。為了防止正常工作期間，再次發(fā)生rst=1的誤復(fù)位操作，我們進而采用了先對rst采樣并檢測的措施：如果rst=1，執(zhí)行200ms的延時，而后再次檢測rst，如還為1，則非誤觸發(fā)；否則就有可能是干擾等產(chǎn)生的誤觸發(fā)，對此我們不做響應(yīng)。

基于主機在每次發(fā)送address 和command之前，會在IRQ引腳對我們的系統(tǒng)進行下降沿觸發(fā)，因此我們在復(fù)位后就等待IRQ下降沿觸發(fā)信號。如果被觸發(fā)，我們就開始接收數(shù)據(jù)，進入接收環(huán)節(jié)。

在進行對接收環(huán)節(jié)的描述之前，我們先來簡要地說明一下Dali控制器命令的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。Dali控制器命令的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括一個起始位，八個地址位 (第一字節(jié))，八個數(shù)據(jù)/指令位 (第二字節(jié))，和兩個停止位。第一字節(jié)為address字節(jié)，第二字節(jié)為command字節(jié)?？梢钥闯鯠ali的控制命令異常簡單，那么是否能保證不出現(xiàn)錯誤，并實現(xiàn)精確調(diào)光呢？

答案是令人放心的。因為Dali數(shù)據(jù)傳送采用以8bit為載體，若前4位為0，后4位為1，則中間的上升沿來表示1；若前4位為1，后4位為0，則中間的下降沿來表示0的傳遞信號方式。因此，對數(shù)據(jù)0和1的傳送非常穩(wěn)定，不容易受到干擾。此外，每幀數(shù)據(jù)還包含了：一個上升沿作為起始位，兩個字節(jié)作為address和command，兩位連續(xù)的高電平作為結(jié)束位（在實際中應(yīng)為2*8bit的高電平）?？偣布悠饋韺嶋H上是發(fā)送了152bit的數(shù)據(jù)。

進入接收環(huán)節(jié)，我們才算是開始了真正意義上的Dali程序環(huán)節(jié)。我們采用rec_bit代表我們已經(jīng)接收的實際bit數(shù)目（也即接收到的addresss和command命令中的位數(shù)），采用rec_position作為每一個bit代表的8bit中所接收的數(shù)據(jù)位。在這個環(huán)節(jié)中我們逐位接收數(shù)據(jù),當接收過程中發(fā)生錯誤,則停止接收,并返回判斷IRQ是否觸發(fā)狀態(tài). 如果整個接收過程(起始位,中間位,終止位)全無錯誤,則向RAM中相應(yīng)字節(jié)寫入”00000001”,標志可以進入數(shù)據(jù)處理階段（handle_data）。.

數(shù)據(jù)處理可根據(jù)address 和command的不同分為: 燈調(diào)光專用指令, 普通指令, 特殊指令三種 ：

由于我們接收的是一個十六位數(shù)據(jù)，并且其中前八位表示地址（8bit地址結(jié)構(gòu)為YAAAAAAS），后八位表示command 和調(diào)光值，當接收到的十六位數(shù)據(jù)的最高位，即Y=0時表示為短地址，Y=1時表示為組地址，S為選擇標志位，當S=0時表示后面的是調(diào)光等級值，S=1時表示后面的是指令

燈調(diào)光專用指令（lamp_setlevel），我們是做成元件例化（component）的形式，因此它并行于其他process。它包含了所要達到的調(diào)光值，最大調(diào)光值，最小調(diào)光值等輸入值以及越限錯誤，現(xiàn)在的調(diào)光值（也即前次所達到的調(diào)光值），極值調(diào)光值判斷和tch0,tch1等輸出值。當所要達到的調(diào)光值為FF時，表示的是demo模式；當為00時，表示的是OFF模式，即關(guān)燈；當FE時，表示極值調(diào)光值，此時極值調(diào)光值判斷置1。其他值時,根據(jù)所要達到的調(diào)光值的不同，tch0或tch1的值也置不同的值，這兩個輸出將是PWM的輸入信號。這里具體的就不說了，請詳見程序lamp_setlevel。

普通指令,（normal command） 則分為間接功率控制命令（indirect arc power control commands），整體配置命令（general configuration），功率參數(shù)設(shè)置（arc power parameters settings），系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（system parameters settings），詢問相關(guān)狀態(tài)信息（queries related to status information），詢問相關(guān)功率參數(shù)設(shè)置（queries related to arc power parameters settings），詢問相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(queries related to system parameters settings) 等。

以下我們簡單介紹程序中一些二進制代碼所對應(yīng)的命令，列表如下：

特殊指令是廣播發(fā)送的,所有的鎮(zhèn)流器都能收到,其形式為address的八位內(nèi)容為”101XXXX1”或”110XXXX1”.而且每條后邊跟隨著的八位command中存儲的是對應(yīng)的value(格式為:A1 00; A3 XX;A5 XX;A7 00; A9 00; AB 00;B1 HH;B3 MM;B5 LL;B7 XX;B9 XX; BB 00;BD 00 .共有十三條) 具體說來: A1 00 是終止特殊進程的指令,執(zhí)行后所有特殊模式的處理進程都會被終止(以address_time=00000000的方式實現(xiàn)); A3 XX 將會向DTR中存儲command的八位數(shù)值”XXXXXXXX “; A5 XX是初始化指令,這一指令在接下來的100毫秒內(nèi)將被再次接收到; A7 00 是產(chǎn)生隨機序列指令,鎮(zhèn)流器將根據(jù)它產(chǎn)生一個新的隨機地址,共有24位,分為高,中,低三個字節(jié)存放在三個存儲器中.我們采用三個時鐘(clk_main, clk_dali, clk_20)驅(qū)動的三個循環(huán)計數(shù)器計數(shù),當需要產(chǎn)生隨機地址時,把當時的計數(shù)值賦給三個存儲器即可; A9 00是比較指令,鎮(zhèn)流器會將已存儲在search_address_h, search_address_m, search_address_l中的組合尋址地址(由主機發(fā)來的)與它的隨機地址比較,如果隨機地址小于或等于組合尋址地址,則鎮(zhèn)流器不被撤銷,回答YES(answer=11111111); AB 00 是撤銷指令,也即隨機地址和組合尋址地址相等的鎮(zhèn)流器將被撤銷(因為短地址已經(jīng)確定)而不再響應(yīng)比較指令; B1 HH,B3 MM,B5 LL 分別是將command中的數(shù)值存入search_address_h, search_address_m, search_address_l; B7 XX實際為1011 0111 0AAAAAA1,執(zhí)行時如果鎮(zhèn)流器被選中,則會將收到的6位地址保存為它的短地址(被選中的條件是:1.鎮(zhèn)流器的隨機地址和組合尋址地址相等 或者2.燈具和鎮(zhèn)流器之間沒有連接,則在接收到指令BD 00后,鎮(zhèn)流器就會被物理選擇探測到) [注意:當B7 XX為1011 0111 01111111 時,短地址將被刪除.]; B9 XX 是確認短地址,當接收到的短地址和鎮(zhèn)流器自身的短地址相同則回答YES; BB 00 如果鎮(zhèn)流器被選中,則會向主機回發(fā)短地址(0AAAAAA1); BD 00 執(zhí)行此指令時,鎮(zhèn)流器被置為物理選擇模式(selection=00000001),這一模式下不能進行組合尋址地址和隨機地址的比較.

接著就是發(fā)送這一塊了。前面對flag（也即dataout1信號）的02的置位，使得發(fā)送得以進行。于是，在clk_dali時鐘上升沿的觸發(fā)下，發(fā)送環(huán)節(jié)開始串行輸出。在這里，Dali數(shù)據(jù)傳送仍采用以8bit為載體，若前4位為0，后4位為1，則中間的上升沿來表示1；若前4位為1，后4位為0，則中間的下降沿來表示0的傳遞信號方式（這些在程序中有詳細的發(fā)送步驟描述，恕不多敘）。值得注意的是：

1. answer是8bit的輸出，它的串行輸出必須一步步的執(zhí)行，因此用temp_value來記錄每一位的值，并按照Dali數(shù)據(jù)傳送規(guī)則傳出。

send_position與rec_position有些不同，send_position是一直加上去的，沒有清零。這樣，在send_position=24時，開始起始位上升沿的輸出，到27bit結(jié)束，在從28到31bit是下降沿的輸出。然后從32bit起，開始數(shù)據(jù)傳遞。當?shù)竭_96bit時開始結(jié)束位的16bit高電平，然后再在112bit對flag（dataout1）和send_position清零。

上圖是我們聯(lián)合主控計算機，運用ＤＡＬＩ通訊協(xié)議，進行ＨＩＤ燈恒功率工作調(diào)節(jié)的ＰＩＤ算法框圖。

ＢＵＣＫ電路是電子鎮(zhèn)流器的逆變電路，通過對它采樣可得燈的工作電壓與電流瞬時值，我們先經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)，ＬＥＭ隔離和二階濾波電路，而后進行采樣并Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，得到十位的數(shù)字值，然后用預(yù)存儲的ｐ_ｒｅｆ　與所得的電壓值作除法，得到電流參考值，并與所采樣的電流值比較作差，得到誤差ｅ（ｋ），然后通過圖示的ｐｉ算法分別進行乘法（＊Ｋ_Ｐ）和累加（）后乘法（＊Ｋ_Ｉ），然后將兩者所得結(jié)果再作加法，所得Ｕ（ｋ）經(jīng)圖示步驟轉(zhuǎn)化為ＰＷＭ脈寬變化，進而控制功率管的開關(guān)時間，減小誤差，實現(xiàn)負反饋，最終達到恒功率控制。

2.需要的開發(fā)平臺

實現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口；

所需要的目標FPGA開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺；

是否需要其它配套的開發(fā)工具；

答：開發(fā)平臺：Spartan-3E,50萬門。原因：有足夠的門，并且自帶A/D，D/A，有較高的運行速度，能夠?qū)?shù)據(jù)進行及時的處理。

實現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口：Flash，DRAM，SRAM，USB2.0,AD,DA,LED顯示，RS-232。

其它配套的開發(fā)工具：ISE8.2i 配套的modelsim

3.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

在本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊，以及開發(fā)的方式

答：DALI模塊，PID模塊。

先用VHDL在ISE8.2i對DALI和PID模塊進行編程描述，并在時序仿真及布局布線后，生成電路網(wǎng)表，最終燒寫進FPGA實驗板中，實現(xiàn)電路。

4.系統(tǒng)最終要達到的性能指標，論述本項目最終完成時所設(shè)想達到的目標。

答：按照DALI的通訊協(xié)議進行正確的數(shù)據(jù)接受，發(fā)送和處理。對HID進行有效而精確的功率調(diào)制，并使其能夠穩(wěn)定工作。

需要的其它資源

1.設(shè)計輸入輸出功能子板

答：子板功能描述：具有十位以上的Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換功能，多個ＬＥＤ，支持ＪＴＡＧ數(shù)據(jù)傳送，２０Ｍ以上的晶振時鐘若干，ＵＳＢ２．０接口。

接口說明：ＵＳＢ２．０接口，具有十位以上的Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換接口各兩個以上。

2.測試設(shè)備：萬用表、示波器、邏輯分析儀等；250W的ＨＩＤ燈及其電子整流器、ｍｏｓｆｅｔ等電路元件

3.仿真，開發(fā)工具：ISE8.2i 和配套的modelsim。