Konstruieren von kabelgebundenen Beleuchtungssteuerungsnetzwerken nach dem DALI-Standard

Die kabelgebundene Steuerung von Beleuchtungssystemen in gewerblich genutzten Gebäuden ist heute die vorherrschende Technologie, und das wird auch trotz des zunehmenden Einsatzes von drahtloser Kommunikation noch für einige Jahre so bleiben. Das ist eine der Schlussfolgerungen eines kürzlich von IMS Research veröffentlichten Berichts. Er prognostiziert auch, dass DALI, die Digital Addressable Lighting Interface, für den Berichtszeitraum von 2010 bis 2017 mit mehr als 90 Millionen Geräten das am meisten eingesetzte Steuerungsprotokoll in Beleuchtungssystemen sein wird.

DALI-Netzwerke bestehen aus einem Steuergerät und einem oder mehreren Beleuchtungsgeräten. Dabei kann es sich um Ballastschaltungen, Schalter und Dimmer handeln, zunehmend zählen dazu jedoch auch Präsenzsensoren und Umgebungssteuerungselemente, die zur Automatisierung der Beleuchtungssteuerung und zur Senkung des Energieverbrauchs eingesetzt werden. Die Festlegung des DALI-Protokolls erfolgt im technischen Standard IEC 62386, aber bei DALI handelt es sich eigentlich um eine Arbeitsgruppe führender Hersteller und Einrichtungen, die sich das Ziel gesetzt haben, diese Technologie als Mittel zur Entwicklung miteinander kompatibler Beleuchtungssteuerungsgeräte zu fördern.

Dieser Artikel befasst sich mit den Ursprüngen von DALI als drahtgebundene Beleuchtungsschnittstelle, um zu verstehen, wie sie funktioniert, wo sie einsetzbar ist und welche Vorteile sie bietet. Zwar vereinfacht DALI die Konstruktion von Beleuchtungssystemen, die Implementierung einer kompatiblen Schnittstelle kann jedoch zunächst entmutigend erscheinen, was sowohl für das Kommunikationsprotokoll als auch für die Einhaltung der vorgegebenen Signalpegel gilt. Mikrocontroller (MCUs) bieten eine naheliegende Lösung für die Codierung und Formatierung der Steuerungsdaten und können selbst in den einfachsten Beleuchtungsgeräten kostengünstig eingesetzt werden. Allerdings arbeiten MCUs typischerweise mit einer Betriebsspannung von maximal 5 Volt, was die zusätzliche Herausforderung einer Umsetzung der Logiksignale in die höheren DALI-Pegel von -6,5 V bis 22,5 V mit sich bringt.

Ganz bestimmt wird daher jedes Angebot einer dedizierteren Lösung für DALI-Anwendungen von den Entwicklern von Lichtquellen und Steuerungsgeräten freudig begrüßt. Zum Glück bietet der Hersteller STMicroelectronics (ST) eine Version seines 8-Bit-Mikrocontrollers ST7 mit einer DALI-Kommunikationsschnittstelle als eine mögliche On-Chip-Peripherieoption an. Zusätzlich zur DALI-kompatiblen MCU ST7DALIF2 bietet ST mit einer Evaluierungsplattform auch Unterstützung für DALI-Anwendungen. Diese Plattform enthält ein Hardware-Moduldesign, das die Spannungspegel sowie weitere Kriterien für die ordnungsgemäße Einbindung in ein DALI-Netzwerk erreicht. Eine Beschreibung dieser Lösung befindet sich weiter unten in diesem Artikel; sie dient der Erklärung der DALI-Funktionsweise.

Was ist DALI?

Die Digital Addressable Lighting Interface (DALI) – Digital adressierbare Schnittstelle für die Beleuchtung – wurde entwickelt, um das Dilemma in der kommerziellen Beleuchtungsbranche zu überwinden: Durch den Einsatz proprietärer Bussysteme drohte die Steuerung von Raumbeleuchtungen zu einer immer komplexeren Angelegenheit zu werden. Dieser Ansatz war eine Reaktion auf die Notwendigkeit, eine vielseitigere Steuerungsmöglichkeit bereitstellen zu müssen. Er trug dazu bei, die Beschränkungen bei festverdrahteten Schaltern und bei der analogen Signaltechnik wie den 0-10-V-Dimmerreglern zu überwinden. Allerdings wurden Bussysteme wie EIB oder LON als Gebäudemanagement-Systeme (BMSs) entwickelt, die nicht nur die Beleuchtung, sondern auch Heizung, Belüftung, Klimaanlage und Sonnenschutz steuern. Daher überrascht es nicht, dass das hohe Maß an Funktionalität dieser Lösungen auch seinen Preis hat, der neben den Komponentenkosten vor allem auch die Ausgaben für die arbeitsintensive Installation umfasst.

DALI bietet da einen heiß ersehnten Kompromiss: Es ist eine flexible und intelligente Alternative zu analogen Raumbeleuchtungssteuerungen und ergänzt gleichzeitig die Gebäudemanagement-Systeme, da es möglich ist, DALI als Subsystem in die umfassendere BMS-Struktur zu integrieren. Doch es gibt einen Punkt, wo DALI einfach unschlagbar ist: Es bietet eine standardisierte Lösung, mit der die Kompatibilität von Produkten unterschiedlicher Hersteller sichergestellt wird. Das ermöglicht nicht nur Konstrukteuren von Beleuchtungssystemen eine größere Flexibilität in ihrer Auswahl der Beleuchtungskomponenten, sondern erleichtert auch die Installation, weil es keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Verlegung von Datenkabeln gibt. Außerdem profitieren die Gebäudeeigentümer, da sie ihre Beleuchtungssysteme anpassen und auf den künftigen Bedarf erweitern können und wissen, dass ihnen dazu kompatible Ausstattungsteile und Steuerungen zur Verfügung stehen. Und schließlich bietet eine standardisierte Lösung Kostenvorteile, die sich zunächst aus den Vorteilen der Fertigung höherer Stückzahlen für einen größeren Markt ergeben, was dann zu geringeren Gerätepreisen führt und schließlich auch zu kürzeren Installationszeiten, da die Auftragnehmer mit den DALI-kompatiblen Komponenten und ihrer gemeinsamen Schnittstelle vertraut sind.

Die Verantwortung für den DALI-Standard liegt bei der DALI AG, einer Arbeitsgruppe, die mittlerweile mehr als 60 führende Hersteller und Einrichtungen aus dem Bereich der digitalen Beleuchtungssteuerung umfasst. Die erste Version des Standards, IEC 60929, definiert die Schnittstelle in erster Linie im Kontext von Vorschaltgeräten zur Dimmung von Leuchtstofflampen, um die Austauschbarkeit der Vorschaltgeräte von verschiedenen Herstellern zu gewährleisten. IEC 60929 soll 2014 zurückgezogen und durch IEC 62386 ersetzt werden. Diese neue Version definiert DALI als gemeinsame Schnittstelle für sämtliche Lichtquellen und Beleuchtungssteuergeräte, einschließlich zugehöriger Komponenten wie Transformatoren, Relaismodule, Sensoren und Notlichtleuchten. Damit gilt DALI als Nachfolger der bisherigen 0-10-V-Beleuchtungssteuerungssysteme und bietet eine Open-Standard-Alternative zu DSI (Digital Signal Interface) sowie die Vorteile der Kompatibilität, der Statusrückmeldung und erweiterter Steuerungsoptionen. Als Organisation vertritt DALI die Interessen seiner Mitglieder hinsichtlich der Entwicklung und Förderung der Kompatibilität aller Produkte mit dem DALI-Warenzeichen, wodurch die Versorgungssicherheit der Endanwender durch mehrere Anbieter gewährleistet wird.

Wie funktioniert DALI?

Bei DALI kommt eine Zweidraht-Schnittstelle zur Kommunikation zwischen maximal 64 Geräten pro eigenständigem Netzwerk zum Einsatz, die wahlweise als Bus- oder Sterntopologie angeordnet sein kann. Bei Bedarf können über DALI-Gateways auch mehr Geräte adressiert werden, indem mehrere Subsysteme miteinander verbunden werden. Die Signalisierung erfolgt digital bei Nennpegeln von 0 V und 16 V (tatsächlich zwischen -6,5 V und +22,5 V, da jeder Logikpegel ±6,5 V beträgt), wobei zur Datenübertragung ein asynchrones Halbduplex-Protokoll mit 1200 Bit/s verwendet wird. Durch Nutzung eines differenziellen Signals in Kombination mit Manchester-Codierung wird der zuverlässige Betrieb selbst bei signifikantem elektrischen Rauschen gewährleistet, wodurch die DALI-Verkabelung auch parallel zu Netzkabeln oder sogar in einem Mehrkernkabel erfolgen kann, das auch der Netzstromversorgung dient. Durch den Betrieb mit Niederspannung ist keine zusätzliche Ballast-Sicherheitsisolierung erforderlich (obwohl das Netzwerkkabel für das Stromnetz zugelassen sein muss), während die Einbeziehung einer Diodenbrücke in die Schnittstellenschaltung alle Bedenken hinsichtlich der Anschlusspolarität erübrigt. Laut Spezifikation sind Kabellängen von bis zu 300 m möglich, sofern kein Spannungsabfall über 2 Volt zwischen dem Steuergerät und dem letzten Gerät im Netzwerk vorliegt. Ausgegangen wird dabei von der Verwendung von Kabeln mit 1,5 mm² Querschnitt.

Allen DALI-Geräten werden Adressen zugewiesen, die zusammen mit anderen Einstellungen im Gerät gespeichert wird. Jedes Gerät kann entweder individuell oder als Teil einer Gruppe adressiert werden, wobei jedes Gerät zu maximal 16 Gruppen gehören kann. Das ermöglicht das Konzept unterschiedlicher Beleuchtungen innerhalb eines Raums entsprechend verschiedenen Szenarien bzw. „Stimmungen“, wie das im Standard bezeichnet wird. So können beispielsweise alle Lampen in einem Raum zu einer gemeinsamen Gruppe gehören und durch einen einzelnen Befehl auf maximale Leistung geschaltet werden. Eine andere Gruppe kann sämtliche Wandlampen umfassen, während alle Deckenstrahler im vorderen Bereich eines Besprechungsraums zusammen mit den Deckenleuchten eine vierte Gruppe bilden können. Auf diese Weise könnte eine vordefinierte Stimmung der „Präsentationsmodus“ sein, in dem die vorderen Deckenstrahler eingeschaltet, die Wandlampen auf 50 % gedimmt und die anderen Deckenleuchten ausgeschaltet sind (wie in Abbildung 1 gezeigt), während beim Betreten oder Verlassen des Raums alle Lampen auf maximale Leistung eingeschaltet sind. Um derartige Konfigurationen weiter zu vereinfachen, kann in jedem Gerät auch die erforderliche Dimm-Einstellung für bis zu 16 Stimmungen gespeichert werden. Die Geräte können auch ihren Status melden, wodurch ein Steuergerät die Geräte wie Lichtpegel- oder Bewegungssensoren überwachen und defekte Lampen erkennen kann.

Implementierung von DALI-Schnittstellen

Wie bereits in der Einführung erwähnt, kann bereits ein einfacher und preisgünstiger Mikrocontroller mit einigen grundlegenden On-Chip-Peripherieoptionen problemlos mit dem DALI-Kommunikationsprotokoll umgehen, was das Senden und Empfangen von Adressierungs- und Steuerungssignalen als seriellen Datenstrom und das Speichern und Ausführen aller Befehle zum Einstellen der Stimmungen angeht. Sogar die erforderliche Implementierung der Manchester-Codierung kann über die Mehrzweck-E/A-Ports (GPIO) in Verbindung mit einem Analog-Komparator zur Taktrückgewinnung bewerkstelligt werden. Angesichts der sehr moderaten Datenraten des DALI-Protokolls wird ganz bestimmt keine dieser Funktionen die Leistungsfähigkeit einer modernen MCU strapazieren. Daher bietet die 8-Bit-MCU ST7DALIF2 von ST mit integrierter On-Chip-DALI-Kommunikationsschnittstelle ein sehr attraktives Wertversprechen, vereinfacht die Arbeit des Gerätekonstrukteurs, beschleunigt die Markteinführung – und gewährleistet eine kompatible Lösung.

Der ST7DALIF2-Baustein gehört zur Familie der ST7-Mikrocontroller und profitiert von einer gemeinsamen Architektur mit einem 8-Bit-Kernprozessor, der mit bis zu 8 MHz getaktet wird, und Standardkonfigurationen für Flash-Programmspeicher, EEPROM-Datenspeicher und RAM sowie einer Reihe von Peripherieoptionen, zu denen Timer, E/A-Ports (einschließlich SPI) sowie ein A/D-Wandler mit einem Operationsverstärker mit fixem Verstärkungsfaktor zählen. Seine Betriebsspannung beträgt 2,4 bis 5,5 V, und der Baustein verfügt über die üblichen Niedrigenergiemodi für Situationen, in denen sich die Anwendung im Leerlauf oder Standby befindet. Es stehen verschiedene Gehäuseoptionen mit bis zu 15 E/A-Pins zur Verfügung.

Was den ST7DALIF2 jedoch deutlich von den anderen Mitgliedern der ST7-Familie unterscheidet, ist sein On-Chip-DALI-Kommunikationsmodul (DCM), das im internen Blockschaltbild von Abbildung 2 unten rechts zu sehen ist.

Die Funktionsweise des DALI-Kommunikationsmoduls (DCM) lässt sich am besten anhand seines internen Blockschaltbilds (Abbildung 3) in Verbindung mit der Darstellung der DALI-Standard-Frames (Abbildung 4) erläutern. Integraler Bestandteil seines Betriebs sind verschiedene Register, die dem Speichern von Takt-, Adress-, Daten-, Steuerungs- und Steuerungs-/Statusinformationen dienen. So wird das Register DCMCLK verwendet, um den Taktgeber des Geräts auf die DALI-Datenrate abzustimmen, DCMFA liefert die Forward-Adresse und wird mit Forward-Daten vom DCMFD sowie den notwendigen Stopp- und Start-Bits kombiniert, um einen Forward-Frame (d. h. Senden) zu bilden. DCMBD empfängt Daten vom Backward-Frame, wogegen DCMCR und DCMCSR zum Speichern von Steuerungs- und Statuseinstellungen verwendet werden.

Die MCU ST7DALIF2 unterstützt nach wie vor nur DALI-Signale mit den MCU-Logikpegeln. Allerdings hat ST auch das STEVAL-ILMOO1V1 als ein Hardware-Evaluierungsmodul zur Verwendung mit seinem STM8S-DISCOVERY-Kit entwickelt, das als Motherboard für das Modul agiert, aber auch eine DALI-Softwarebibliothek enthält. Dieses Hardware-Modul wandelt die MCU-Logiksignale in die vollen DALI-Spannungspegel samt ordnungsgemäßen Anstiegs- und Abfallzeiten um und bietet gleichzeitig Überspannungsschutz vor fälschlichem Anschließen der Netzspannungen an die DALI-Leitungen. Das Modul ist in Abbildung 5 dargestellt, und Abbildung 6 zeigt sein Schaltschema.

Obwohl das Modul eigentlich dazu vorgesehen ist, Benutzern Einblicke in DALI und dessen Fähigkeiten zu verschaffen, bietet es doch eine voll funktionsfähige DALI-Lösung, die an ein DALI-Netzwerk angeschlossen und durch dieses gesteuert werden kann. Damit könnte es auch in Endgeräten als Plugin-Schnittstellenmodul eingesetzt werden, es liefert aber gleichzeitig ein Referenzdesign, das ein Konstrukteur von Beleuchtungslösungen direkt in sein eigenes Design einbinden kann. Und in der Tat zeigt ST im Benutzerhandbuch für das STEVAL-ILMOO1V1-Modul neben dem vollständigen Schaltplan auch entsprechende Platinenlayouts.

Zusammenfassung

Es gibt zahlreiche mögliche Lösungen für die Steuerung von Beleuchtungssystemen in gewerblich genutzten Gebäuden, die von herkömmlichen manuellen Schalttafeln bis hin zu ausgeklügelten Lösungen reichen, wie sie mit Gebäudemanagement-Systemen erzielt werden. Anforderungen wie der Wegfall einer dedizierten Verkabelung und hohe Flexibilität bei Funktionen zum Dimmen, zur Messung des Umgebungslichts und zur Bewegungserkennung haben die unterschiedlichsten Steuerungsstrategien und Bus-Netzwerklösungen hervorgebracht. Allerdings wurde es erst unter der Schirmherrschaft der DALI AG möglich, eine standardisierte digitale Schnittstelle zu realisieren.

In diesem Artikel ging es darum, was DALI ist und wie es funktioniert, und zwar insbesondere in Bezug auf die Lösung, die STMicroelectronics mit seinem DALI-kompatiblen Mikrocontroller und einem Schaltungsdesign anbietet, die speziell auf die Anforderungen zur Umwandlung der MCU-Logikpegel in die Signalspannungen ausgerichtet ist, die vom DALI-Standard vorgegeben sind. Was DALI letztendlich erreicht, ist die Sicherstellung der Versorgungssicherheit für alle, die mit der Konstruktion, Installation und Instandhaltung von Gebäudebeleuchtungssystemen befasst sind, indem es Herstellern ermöglicht, kompatible Produkte anzubieten, die vom Anwender problemlos miteinander vernetzt werden können. Eine derartige Standardisierung führt auch zu Kostenvorteilen – durch Größenvorteile bei der Produktion und vereinfachte Installation.

Referenzen:

1. IMS Research-Pressemitteilung zum Markt für Beleuchtungssteuerungsgeräte