Konnektive Leuchten schneller entwickeln Intelligente Lichtsteuerung über DALI 2.0

NLichtsteuerung mit dem Standard DALI 2.0 spart Zeit und Geld,
NLichtsteuerung mit dem Standard DALI 2.0 spart Zeit und Geld,

Leuchten mit integrierter Sensorik lassen sich über DALI 2.0 ansteuern, allerdings ist der Standard relativ neu. Für Infineons Mikrocontroller der XMC1000-Familie ist nun ein Software-Stack für DALI 2.0 mit Entwicklungskit erhältlich. Das erspart Leuchtenentwicklern Zeit und Geld.

Das Ansteuern von lichttechnischen Betriebsgeräten geschieht in Wohn- und Nutzgebäuden in der Regel über eine DALI-Schnittstelle (Digital Adressable Lighting Interface). Mit der Entwicklung von DALI 2.0 wurde die Interoperabilität zwischen Komponenten unterschiedlicher Hersteller weiter verbessert, und die Möglichkeit, nun auch Sensoren einzubinden, vergrößert den Funktionsumfang von smarten DALI-Lichtanwendungen erheblich.

Als Mikrocontroller können Entwickler die XMC-1000-Mikrocontrollerfamilie mit ARM-Cortex-M0 nutzen. Für diese Mikrocontroller hat Infineon zusammen mit der Firma Xenerqi einen DALI-2.0-Slave-Software-Stack entworfen, mit dem sich Entwicklungs-zeit- und -kosten für Lichtsteuerungen signifikant reduzieren lassen.

Mikrocontroller für Smart Lighting

Mit spezieller Peripherie und Funktionalitäten sind XMC-1000-Mikrocontroller u.a. prädestiniert für zahlreiche moderne LED-Beleuchtungssysteme. Die MCU-Familie (siehe Kastenbild: XMC-Mikrocontroller auf einen Blick) steht in den Serien XMC1100, XMC1200, XMC1300 und XMC1400 mit Flashvarianten bis zu 200 kB und Gehäusen mit bis zu 64 Pins zur Verfügung. Sie unterstützen eine automatische Dimmung und die Farbansteuerung für mehrkanalige LEDs.

Neben der LED-Ansteuerung können die MCUs der Serien 1200, 1300 und 1400 auch die DALI- oder DMX-Kommunikation übernehmen. Außerdem kann mit den XMC-Mikrocontrollern die Stromversorgung für den LED-Treiber implementiert werden, wobei alle gängigen zweistufigen Schaltnetzteil-Topologien unterstützt werden.

Ergänzend zu den Features der XMC1200/1300-Serien bieten die XMC1400-Derivate bis zu vier serielle Kanäle (Ansteuerung von 4-kanaligen LEDs), eine deutlich erhöhte Rechenleistung (mehr als 70 Prozent) und erweiterte Konnektivität (z.B. CAN). Die wichtigsten Funktionsmerkmale der XMC-1000-Familie für smarte Beleuchtungen sind:

  • automatische Helligkeitssteuerung (auf Basis hochfrequenter Puls-Modulation),
  • flimmerfreies Dimmen über neun Ausgangskanäle,
  • automatisches exponentielles Dimmen und lineare Intensitätsänderungen für natürliche, augenfreundliche Helligkeits- und Farbwechsel,
  • schnelle integrierte Analog-Komparatoren für die Stromsteuerung,
  • eng gekoppelte Peripheriefunktionen für verschiedene digitale Leistungsumsetzungen.

Der Einzug der LED hat zu umfassenden Veränderungen bei der Leuchten-Ansteuerung geführt. Was in der Vergangenheit mit Phasendimmern oder analoger 1 – 10-V-Schnittstelle angesteuert wurde, wird heute digital vernetzt. Die populärste standardisierte Schnittstelle DALI – ursprünglich zum Dimmen von Leuchtstofflampen ausgelegt – hat sich als der Standard zur Lichtinszenierung etabliert, getrieben vom Erfolg der LED-Leuchten.

Flexible und komfortable LED-Ansteuerung

Die Serien XMC1200, XMC1300 und XMC1400 arbeiten mit einer integrierten Helligkeits- und Farbsteuerungseinheit (Brightness and Color Control Unit, BCCU). Ein Blockschaltbild der BCCU ist in Bild 1 zu sehen. Ihre grundsätzliche Funktion besteht darin, automatisch Dimmsignale an den Port-Anschlüssen für externe LED-Treiber zur Verfügung zu stellen. Die BCCU ist – bei minimalem Code-Aufwand – für die automatische Steuerung der Dimmung und der Farben von mehrkanaligen LED-Lampen ausgelegt.

Ein Entwicklungsziel war die flimmerfreie Darstellung. Nicht jede Änderung der Leuchtdichte wird jedoch vom Betrachter als Flimmern wahrgenommen. Die entsprechende Bemerkbarkeitsschwelle ist frequenzabhängig und wurde empirisch ermittelt. Diese Erkenntnisse sind in das Design der BCCU eingeflossen. Ein wesentliches Merkmal ist die automatische hochfrequente Helligkeits-Modulation (PDM mit 12-bit-Auflösung).

Damit wird für jeden der insgesamt neun Kanäle ein individueller Bitstrom erzeugt. Durch die hohe Frequenz ist eine hohe Auflösung für den Helligkeitswert bzw. den Farbwert bei RGB-Anwendungen gegeben. Damit wird eine flimmerfreie Darstellung ermöglicht, während ein weites Spektrum an unterschiedlichsten LED-Treibern bzw. Hochleistungs-LEDs unterstützt wird.

Die BCCU hat drei sogenannte »Dimming Engines« integriert. Diese sorgen für die exponentielle Veränderung der Helligkeit. Die exponentielle Dimmung und lineare Veränderung der Intensität lassen die Dimmungsschritte und Farbänderungen für das menschliche Auge natürlich erscheinen. Die drei Dimming Engines können beliebig den neun Kanälen zugeordnet werden. So kann man z.B. drei RGB-Leuchten oder eine Straßenleuchte mit bis zu neun LED-Strängen ansteuern.

Die BCCU stellt darüber hinaus auch Trigger-Signale für den A/D-Umsetzer bereit. Damit kann dieser beispielsweise Ströme in mehreren LED-Strängen synchronisiert messen. Für den Farbwechsel bei RGB-Lampen spielt der »Linear Walker« eine wichtige Rolle. Er passt die Frequenz des Bitstroms für jeden Kanal so an, dass ausgehend von Farbe x der Zielpunkt einer neuen Farbe y im Farbraum für jeden der drei Kanäle (Rot, Grün, Blau) zum gleichen Zeitpunkt erreicht wird und zwar innerhalb einer vorgegebenen Zeit. Der Farbübergang ist mit diesem Verfahren für das menschliche Auge wesentlich angenehmer und natürlicher. Außerdem sind keine komplexen Software-Algorithmen erforderlich.

DALI versus DALI 2.0

DALI ist für die Lichtsteuerung wohl die verbreitetste Schnittstelle hin zur Leuchte. Es gibt mittlerweile für eine Vielzahl von Anwendungen konzipierte Produkte (Multifunktions-, Multikanal-, Notleuchten, etc.) verschiedenster Hersteller. All diese Geräte sind in der DALI-Norm IEC 62386.102 standardisiert und klassifiziert.

Die verschiedenen Gerätetypen (Device Types 0 – 8) sind in den Normenteilen 201 bis 209 definiert. Beispielsweise beschreibt der Gerätetyp 7 speziell LED-Betriebsgeräte oder der Gerätetyp 1 die Eigenschaften von DALI-Notlichtgeräten. Auch die Datenkommunikation, die Parametersätze und die Topologie sind in der IEC 62386 festgelegt.

DALI 2 ist dafür ausgelegt, Lücken im ursprünglichen Standard zu schließen und eine bessere Interoperabilität zu ermöglichen. Wurden ursprünglich nur Betriebsgeräte und die allgemeine Kommunikation beschrieben, eröffnet DALI 2.0 Herstellern und Anwendern die Welt der Sensorik. Daher wurde die IEC 62386 um den Teil 103 (Steuergeräte) erweitert (Bild 2). Neue Gerätetypen aus dem Bereich der Sensoren, wie etwa Taster, Lichtsensoren, Bewegungssensoren oder Fernbedienschnittstellen, sind nun in der Norm definiert.

DALI in seiner ersten Version arbeitet nach dem reinen Master-Slave-Prinzip, womit umfangreiche Sensorfunktionen nur begrenzt möglich sind. DALI 2.0 macht es möglich, sowohl Steuerbefehle und Betriebsdaten für Leuchtenbetriebsgeräte, als auch Sensorfunktionen herstellerübergreifend zu kommunizieren. Mit DALI 2.0 können 64 Leuchtenbetriebsgeräte und 64 Sensorsteuergeräte gemeinsam auf einer Linie betrieben werden. Auch Gebäudeautomationssysteme können die Sensorinformationen verarbeiten und mit anderen Daten optimieren, wie Heizung/Lüftung/Klima. Zentrale Wartungsfunktionen können Lampenzustände, Energieverbrauch oder Schaltzyklen überwachen und diese Funktionen statistisch visuell aufbereitet darstellen.

Mit DALI 2.0 wurde außerdem die Grundlage für weitreichende Interoperabilität gelegt. Erstmalig wird nicht nur nach dem Master-Slave-Prinzip ein standardisiertes Betriebsgerät gesteuert, sondern es ist auch eine ereignisgesteuerte Kommunikation zwischen Applikationscontroller und Steuergerät möglich. Dabei ist Abwärtskompatibilität zu DALI-1-Installationen gewährleistet.