Conception de réseau de commande d’éclairage câblé selon la norme DALI

La commande câblée des systèmes d'éclairage dans les immeubles commerciaux constitue la technologie dominante actuellement et devrait le rester pour les années à venir, malgré le développement croissant des communications sans fil. Il s'agit de l'une des conclusions d'un rapport récent d'IMS Research, qui prévoit également que DALI, l'interface d'éclairage adressable numérique, sera la protocole de commande le plus utilisé dans les systèmes d'éclairage, avec plus de 90 millions de dispositifs prévus pour livraison de 2010 à 2017.

Les réseaux DALI sont composés d'un contrôleur et d'un ou plusieurs appareils d'éclairage. Il peut s'agir de circuits de protection, de commutateurs et de gradateurs, mais les capteurs seront de plus en plus utilisés pour les commandes environnementales et de présence afin d'automatiser les commandes d'éclairage et contribuer à réduire la consommation énergétique. Le protocole DALI est défini dans la norme technique CEI 62386, mais DALI est avant tout un groupe de travail composé d'institutions et de fabricants leaders dont le but est de promouvoir cette technologie comme moyen de garantir des commandes d'éclairage interopérables.

Cet article s'intéresse aux origines de DALI en tant qu'interface d'éclairage câblé pour comprendre son fonctionnement, ses applications et ses avantages. Même si DALI simplifie la conception de systèmes d'éclairage, l'implémentation d'une interface conforme est souvent ardue, à la fois en termes de protocole de communications et de respect des niveaux de signaux réglementaires. Les microcontrôleurs peuvent sembler être une solution évidente pour coder et formater les données de commande, et s'avérer rentables même dans les appareils d'éclairage les plus basiques. Cependant, les microcontrôleurs fonctionnement typiquement sur des tensions d'alimentation de 5 V ou moins, posant le défi supplémentaire de transposer les signaux logiques aux niveaux DALI plus élevés de -6,5 V à 22,5 V.

Clairement, si une solution plus adaptée aux applications DALI est proposée, elle sera largement adoptée par les concepteurs de dispositifs de commande et de sources lumineuses. Heureusement, le fabricant STMicroelectronics (ST) offre une version de son microcontrôleur ST7 8 bits présentant une interface de communications DALI comme périphérique intégré. En complément du microcontrôleur ST7DALIF2 avec DALI, ST prend également en charge les applications DALI avec une plateforme d'évaluation incluant une conception de module matériel qui atteint les niveaux de tension et répond aux autres critères pour une connexion correcte à un réseau DALI. Vous trouverez une description de cette solution plus loin dans cet article expliquant plus en détail le fonctionnement d'un réseau DALI.

Qu'est-ce que DALI ?

L'interface d'éclairage adressable numérique (DALI) a été conçue pour répondre à un dilemme dans l'industrie de l'éclairage commercial dans laquelle la commande d'éclairage des salles était sur le point de devenir extrêmement complexe avec le déploiement de systèmes de bus propriétaires. Cette approche était en elle-même une réponse au besoin de fournir des commandes plus polyvalentes. Elle a contribué à dépasser les limites des commutateurs câblés et des signaux analogiques tels que les commandes de gradation 0-10 V. Toutefois, des systèmes de bus comme EIB ou LON ont été développés en tant que systèmes de gestion des immeubles pour le contrôle du chauffage, de la ventilation, de la climatisation et des volets, ainsi que de l'éclairage. En conséquence, il n'est pas surprenant de découvrir que le haut niveau de fonctionnalités de ces solutions a un prix, non seulement le coût des composants mais aussi les dépenses liées à l'installation exigeante en main-d'œuvre.

DALI offre le compromis nécessaire : une alternative flexible et intelligente aux commandes d'éclairage analogiques, renforçant également les systèmes de gestion des immeubles, puisqu'il est possible d'intégrer DALI en tant que sous-système de conceptions de gestion d'immeubles plus étendues. Là ou DALI sort toutefois vraiment gagnant est en fournissant une solution standardisée qui garantit la compatibilité des produits entre les différents fabricants. Cela permet non seulement aux concepteurs de systèmes d'éclairage de bénéficier d'une plus grande flexibilité dans le choix des composants, mais aussi de simplifier l'installation car il n'existe aucune condition requise spécifique en matière de câblage des câbles de données. Les propriétaires d'immeuble bénéficient également de la capacité à adapter ou étendre l'éclairage pour des besoins futurs, tout en sachant que les commandes et les équipements compatibles sont déjà disponibles. Enfin, une solution standardisée offre des avantages en matière de coûts résultant initialement de la capacité de fabrication à plus hauts volumes pour un marché plus étendu, et permettant des prix plus bas des équipements et des délais d'installation plus courts, les entrepreneurs étant familiarisés avec les composants conformes à DALI et à leur interface commune.

La norme DALI est sous la responsabilité de DALI AG, un groupe de travail comprenant plus de 60 institutions et fabricants leaders dans le domaine du contrôle d'éclairage numérique. La première version de cette norme, CEI 60929, définit l'interface principalement dans le contexte des ballasts de lampes fluorescentes à gradation pour garantir la capacité d'échange des ballasts des différents fabricants. La norme CEI 60929 sera retirée en 2014, et remplacée par la norme CEI 62386, qui définit désormais DALI comme interface unique pour toutes les sources lumineuses et tous les contrôleurs d'éclairage, y compris les composants connexes tels que les transformateurs, les modules de relais, les capteurs et les installations de secours. DALI succède aux systèmes de commande d'éclairage 0-10 V précédents et fournit une alternative de norme ouverte à DSI (Digital Signal Interface), offrant des avantages en matière d'interopérabilité, d'informations de statut et de contrôle avancé. En tant qu'organisation, DALI représente les intérêts de ses membres en développant des opportunités et en mettant en avant la compatibilité des produits conformes portant la marque DALI, garantissant la sécurité d'alimentation de l'utilisateur final via de multiples sources.

Fonctionnement de DALI

DALI utilise une interface à deux fils pour communiquer avec jusqu'à 64 dispositifs dans un réseau autonome, organisé en topologie en étoile ou en bus. Si nécessaire, les passerelles DALI permettent l'adressage d'un plus grand nombre de dispositifs en connectant des sous-systèmes ensemble. La signalisation est numérique à des niveaux nominaux de 0 V et 16 V (en fait entre -6,5 V et +22,5 V, car chaque niveau logique est de ±6,5 V) avec transfert des données via un protocole série semi-duplex asynchrone à 1200 bits/s. L'utilisation d'un signal différentiel combiné au codage Manchester garantit un fonctionnement fiable même en présence de bruit électrique important, permettant au câblage DALI de courir le long des câbles secteur ou même dans un câble multiconducteur fournissant l'alimentation secteur. Avec un fonctionnement basse tension, il n'y a aucune exigence d'isolement de sécurité de ballast additionnelle (même si le câble réseau est requis pour être mis au potentiel de l'alimentation), tandis que l'inclusion d'un pont de diode dans le circuit d'interface permet d'éviter tout souci de polarité de connexion. Une longueur de câble maximum de 300 m est spécifiée, supposant une chute de 2 V maximum entre le contrôleur et le dernier dispositif du réseau sur la base d'une utilisation d'une section de câblage de 1,5 mm².

Des adresses sont attribuées aux dispositifs DALI, et elles sont stockées avec d'autres paramètres dans le dispositif. Chaque dispositif peut être considéré individuellement ou en tant que partie d'un groupe, et chaque dispositif peut être un membre de jusqu'à 16 groupes. Cela permet le concept de plusieurs éclairages dans une pièce contrôlés selon différents scénarios, ou « scènes », selon le terme utilisé dans la norme. Par exemple, toutes les lumières dans une pièce peuvent faire partie d'un groupe unique et être commutées à une sortie maximale avec une seule commande. Un autre groupe peut être associé aux appliques murales, tandis qu'un troisième groupe peut correspondre aux plafonniers à l'entrée d'une salle de réunion, les autres plafonniers appartenant à un quatrième groupe. De cette manière, une scène prédéfinie peut être un « mode de présentation » avec les plafonniers d'entrée allumés, les appliques murales à gradation 50 %, et les autres plafonniers éteints (comme montré dans la Figure 1), alors que toutes les lumières seront allumées quand les gens entrent ou sortent. Pour simplifier davantage de telles configurations, chaque dispositif doit stocker les paramètres de gradation requis pour jusqu'à 16 scènes. Les dispositifs doivent aussi donner un rapport d'état pour que le contrôleur puisse surveiller les dispositifs tels que des capteurs de mouvement ou de niveau lumineux, et détecter les lampes défectueuses.

Implémentations d'interfaces DALI

Comme mentionné dans l'introduction, un simple microcontrôleur économique avec quelques périphériques basiques intégrés peuvent gérer le protocole de communications DALI, en termes d'envoi et de réception de signaux de commande et d'adresse comme flux de données série, et de stockage et de réponse à toutes les commandes de définition de scènes. L'implémentation du codage Manchester peut être effectuée en utilisant des ports d'entrée/sortie à usage général (GPIO) avec un comparateur analogique pour extraction du signal d'horloge. Cela n'aura aucun impact sur les performances d'un microcontrôleur moderne étant donné les faibles débits de données utilisés par DALI. Néanmoins, le microcontrôleur 8 bits ST7DALIF2 de ST, intégrant une interface de communications DALI, constitue un choix très attractif, simplifiant les tâches d'équipement du concepteur et accélérant les délais de mise sur le marché tout en garantissant une solution conforme.

Le dispositif ST7DALIF2 appartient à la famille de microcontrôleurs ST7 et bénéficie d'une architecture commune avec un processeur à cœur 8 bits s'exécutant à 8 MHz, avec des configurations standard de mémoire Flash, de mémoire de données EEPROM et de mémoire RAM, et un jeu de périphériques incluant des temporisateurs, des ports E/S (y compris SPI) et un convertisseur analogique-numérique avec amplificateur opérationnel à gain fixe. Le fonctionnement s'étend de 2,4 V à 5,5 V, et le dispositif est doté des modes d'économie d'énergie courants pour les périodes de veille ou d'inactivité de l'application. Différentes options de boîtier sont disponibles pour offrir jusqu'à 15 broches E/S.

En clair, ce qui distingue le ST7DALIF2 des autres dispositifs de la gamme ST7 est le module de communications DALI (DCM) intégré, montré dans le coin inférieur droit du schéma fonctionnel interne de la Figure 2.

Les fonctionnalités du module de communications DALI (DCM) sont plus évidentes dans son propre schéma fonctionnel interne (Figure 3) en conjonction avec l'illustration des trames DALI standard (Figure 4). Divers registres, stockant des informations d'horloge, d'adresse, de données, de commande et de contrôle/statut, font partie intégrante du fonctionnement. Le registre DCMCLK est utilisé pour régler l'horloge du dispositif selon le débit de données DALI, le registre DCMFA fournit une adresse d'envoi et il est combiné avec les données d'envoi du DCMFD plus les bits de départ et d'arrêt nécessaires pour former une trame d'envoi (c'est-à-dire de transmission). Le DCMBD reçoit les données de la trame de réception, avec les registres DCMCR et DCMCSR utilisés pour retenir les paramètres de statut et de commande.

Le microcontrôleur ST7DALIF2 ne prend en charge les signaux DALI qu'aux niveaux logiques du microcontrôleur. Toutefois, ST a développé le STEVAL-ILMOO1V1 en tant que module d'évaluation matériel pour utilisation avec son kit STM8S-DISCOVERY, qui fonctionne comme une carte mère pour le module mais qui est fourni avec une bibliothèque logicielle DALI. Ce module matériel convertit les signaux logiques du microcontrôleur vers les pleins niveaux de tension DALI avec les temps de montée et de descente corrects, tout en offrant une protection contre les surtensions en cas de mauvaises connexions à la tension secteur du câblage DALI. Le module est présenté en Figure 5, et la Figure 6 montre son schéma de circuit.

Bien que son rôle soit de permettre aux utilisateurs de découvrir DALI et ses fonctionnalités, ce module fournit une solution DALI entièrement opérationnelle, pouvant être connectée à tout réseau DALI et contrôlée par le réseau DALI. En tant que tel, il peut être utilisé dans l'équipement final comme module d'interface plug-in, et il fournit également une conception de référence qu'un concepteur d'éclairage peut intégrer directement dans sa propre conception. En effet, en plus de fournir les schémas de principe complets, ST offre également des configurations de cartes dans le manuel d'utilisation pour le module STEVAL-ILMOO1V1.

Résumé

Il existe de nombreuses solutions potentielles pour la commande de l'éclairage des immeubles commerciaux, des tableaux de commande manuels traditionnels aux systèmes sophistiqués de gestion des immeubles. Les exigences visant à éliminer un câblage dédié et à fournir plus de flexibilité avec les fonctionnalités de gradation, de détection de lumière ambiante et de détection de mouvement, ont engendré de nombreuses stratégies de contrôle et de solutions de réseaux en bus. Toutefois, c'est seulement sous l'égide de DALI AG qu'une interface numérique standardisée a été définie.

Cet article s'est intéressé à DALI et à son fonctionnement, plus particulièrement en référence à la solution proposée par STMicroelectronics avec son microcontrôleur prêt pour DALI et une conception de circuit répondant aux exigences de conversion des niveaux logiques du microcontrôleur vers les tensions de signalisation spécifiées par la norme DALI. DALI offre le moyen de garantir la sécurité d'alimentation aux techniciens concevant, installant et effectuant la maintenance des systèmes d'éclairage des immeubles, en permettant aux fabricants de proposer des produits conformes que les utilisateurs peuvent combiner ensemble en toute confiance. Un tel niveau de standardisation génère également des avantages en termes de coûts grâce à des économies de fabrication et une plus grande simplicité d'utilisation.

Références :

1. Communiqué de presse IMS Research sur le marché des dispositifs de commande d'éclairage