유선 조명 제어 네트워크를 DALI 표준으로 설계

상업용 건물에서 조명 시스템의 유선 제어는 오늘날의 주요 기술이고 무선 통신의 증가에도 불구하고 향후 수년간 계속 유지될 것으로 예상됩니다. 이는 IMS Research의 최근 보고서의 결론 중 하나인데 이 보고서에서는 또한 디지털 어드레서블 조명 인터페이스(DALI)가 2010년 ~ 2017년의 보고 기간 동안 9천만 개 이상의 장치를 선적할 것으로 예상되어 조명 시스템에서 가장 많이 사용하는 제어 프로토콜이 될 것으로 예측합니다.

DALI 네트워크는 하나의 컨트롤러 및 하나 이상의 조명 장치로 구성됩니다. 이것은 밸러스트 회로, 스위치 및 조광기가 될 수 있지만 점차 조명 제어를 자동화하고 에너지 소비를 절감하는 데 도움이 되도록 주거 및 환경적 제어를 위한 센서를 포함하게 될 것입니다. DALI 프로토콜은 IEC 62386 기술 표준을 기반으로 하지만 DALI 자체는 상호 운용이 가능한 조명 제어를 보장하는 수단으로써 이 기술의 촉진을 목표로 삼는 선도적인 제조업체 및 협회로 구성된 작업 그룹입니다.

이 기사에서는 유선 조명 인터페이스로서의 DALI의 기원을 검토하여 그 작동 방식과 적용되는 분야 그리고 장점은 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다. DALI는 조명 설계를 단순화하지만 준수 인터페이스를 구현하는 것은 통신 규약 측면과 규정된 신호 레벨을 충족하는 면에서 처음에는 벅차게 느껴질 수도 있습니다. 마이크로 컨트롤러(MCU)는 제어 데이터를 인코딩하고 포맷팅하는 데 확실한 솔루션을 제공하는 것으로 보이며 대부분의 기본 조명 장치에서도 비용 효율적일 수 있습니다. 하지만 MCU는 통상 5V 이하의 공급 전압에서 작동하기 때문에 -6.5V ~ 22.5V의 더 높은 DALI 레벨로 논리 신호를 변환해야 하는 추가적인 문제가 발생합니다. 

그러므로 DALI 응용 제품을 위한 전용 솔루션이 제공된다면 광원 및 제어 장치 설계자에게 분명 환영 받을 것입니다. 다행히 STMicroelectronics(ST) 제조업체는 온칩 주변 장치 중 하나로 DALI 통신 인터페이스를 특징으로 하는 ST7 8비트 마이크로 컨트롤러 제품군 버전을 제공합니다. ST는 DALI가 활성화된 ST7DALIF2 MCU외에도 평가 플랫폼을 갖춘 DALI 응용 제품을 지원하는데 여기에는 DALI 네트워크에 올바르게 연결되기 위한 전압 레벨 및 기타 기준을 달성하는 하드웨어 모듈 설계가 포함됩니다. 이 기사의 뒷부분에는 DALI의 작동 원리에 대한 추가 설명을 위해 이 솔루션에 대한 요약 정보를 포함했습니다. 

DALI는 무엇인가요?

디지털 어드레서블 조명 인터페이스(DALI)는 실내 조명 제어가 전용 버스 시스템의 배포를 통해 과도하게 복잡해질 위험에 처하게 하는 상용 조명 산업의 딜레마를 해결하기 위해 만들어졌습니다. 이 접근 방법은 그 자체로 더 다양한 제어를 제공할 필요에 대한 대응이었습니다. 이 방법은 0V ~ 10V 조광 제어와 같은 하드와이어 스위치와 아날로그 신호의 제한을 극복하는 데 도움을 주었습니다. 하지만 EIB 또는 LON과 같은 버스 시스템은 난방, 환기, 냉방, 블라인드 및 조명의 제어를 위한 건물 관리 시스템(BMS)으로 개발되었습니다. 따라서, 이러한 솔루션이 제공하는 고급 수준의 기능성을 위해 가격이 올라가는 것은 놀라운 일이 아니며 이는 단지 부품 비용뿐만 아니라 노동 집약적인 설치 비용도 포함되기 때문입니다.

DALI는 매우 필요했던 많은 절충안을 제공합니다. DALI는 아날로그 실내 조명 제어에 대한 유연하고 지능적인 대안을 제공하는 동시에 건물 관리 시스템을 보완하는데, 이는 DALI를 더 포괄적인 BMS 설계의 서브 시스템으로 통합할 수 있기 때문입니다. 하지만 DALI가 정말로 성공한 부분은 다른 제조업체 제품과의 호환성을 보장하는 표준 솔루션을 제공하는 데 있습니다. 이는 조명 시스템의 설계자가 조명 부품의 선택에서 더 큰 유연성을 가지도록 할 뿐만 아니라 데이터 케이블의 권선에 특별한 요구 사항이 없으므로 설치도 용이하게 합니다. 게다가 건물 소유주에게는 호환 가능한 조명 비품과 제어를 쉽게 구할 수 있다는 것을 알기에 향후 필요에 맞게 조명을 조정하거나 확장할 수 있는 이점이 있습니다. 마지막으로 표준 솔루션은 비용의 이점을 제공하는데, 초기에는 더 넓은 시장을 위해 대량으로 제조하는 장점에 따라 장비 가격이 더 저렴해지는 것이고 후에는 계약자가 DALI 준수 부품 및 공통 인터페이스에 익숙해짐에 따라 설치 시간이 더 짧아지는 것입니다. 

DALI 표준은 디지털 조명 제어 분야에서 60개 이상의 주요 제조업체 및 기관으로 구성된 작업 그룹인 DALI AG에서 담당합니다. 첫 번째 표준 버전인 IEC 60929는 다른 제조업체의 밸러스트와의 교체성을 보장하기 위해 주로 조광 가능한 형광등 밸러스트의 관점에서 인터페이스를 정의합니다. IEC 60929는 IEC 62386으로 대체됨에 따라 2014년에 철회될 예정인데, IEC 62386은 DALI를 변압기, 계전기 모듈, 센서 및 응급 부속품과 같은 관련 부품을 포함한 모든 광원 및 조명 컨트롤러를 위한 단일 인터페이스로 정의합니다. 그러므로 DALI는 기존의 0V ~ 10V 조명 제어 시스템을 계승하고 디지털 신호 인터페이스(DSI)를 대체하는 개방 표준을 제공하여 상호 운용성, 상태 피드백 및 고급 제어의 이점을 제공합니다. 조직으로서의 DALI는 다양한 소스를 통해 최종 사용자에게 공급의 안정성을 보장해 주는 DALI 상표를 지닌 준수 제품의 기회 개발 및 호환성 증진에 대한 각 구성원의 관심을 대표합니다. 

DALI는 어떻게 작동하나요?

DALI는 두 개의 전선 인터페이스를 사용하여 버스 또는 스타 토폴로지에 정렬된 독립형 네트워크에서 최대 64개 장치 간에 통신합니다. 필요한 경우, DALI 게이트웨이는 서브 시스템을 함께 연결하여 더 많은 장치를 지원할 수 있습니다. 신호는0V 및 16V(각 논리 레벨은 ±6.5V이므로 실제로는 -6.5V 및 +22.5V 사이) 공칭 레벨에서 디지털이고 데이터는 1,200비트/초에서 동기식, 반이중 직렬 프로토콜을 사용하여 전송됩니다. 맨체스터 인코딩과 결합된 차동 신호를 사용함으로써 상당한 전기적 잡음이 있을 때에도 신뢰할 수 있는 작동을 보장하여 DALI 배선을 주요 케이블과 함께 또는 주요 전력을 전달하는 다중 코어 케이블 내에도 설치할 수 있습니다. 저전압에서 작동하므로 추가적인 밸러스트 안전 절연 요구 사항이 없고(다만 네트워크 케이블은 본선 정격을 유지하기 위해 필요), 인터페이스 회로에 다이오드 브리지를 포함하여 연결 극성에 대한 우려를 없애 줍니다. 케이블선은 컨트롤러와 1.5mm²의 단면적 배선의 사용을 기반으로 한 네트워크상의 마지막 장치 간 2V 드롭 이하의 가정 하에 최대 300m로 지정됩니다.

DALI 장치에는 주소가 할당되며 이 주소는 다른 설정과 함께 장치 내에 저장됩니다. 각 장치는 개별적으로 또는 그룹의 일부분으로 처리될 수 있으며 최대 16개 그룹의 구성원이 될 수 있습니다. 이는 다른 시나리오 또는 표준에서 참조되는 '장면'에 따라 제어되는 방 내에 다른 조명 개념을 가능하게 합니다. 예를 들어 한 방의 모든 조명은 한 단일 그룹의 일부가 되어 단일 명령으로 출력을 최대로 전환할 수 있습니다. 다른 그룹은 모든 벽 조명이 될 수 있고 세 번째 그룹은 회의실 앞에 있는 모든 하향 조명이 될 수 있고 나머지 천장 조명은 네 번째 그룹에 속할 수 있습니다. 이렇게 하면 그림 1과 같이 하향 조명을 켜고, 벽 조명을 50%로 줄이고, 다른 천정 조명을 끄도록 미리 정의된 장면을 '프레젠테이션 모드'로 하고 사람들이 방에 들어오거나 나가는 경우 모든 조명은 환하게 켤 수 있습니다. 이러한 구성을 더 간단히 하기 위해 각 장치는 최대 16개의 장면에 대해 필요한 조광 설정을 저장할 수도 있습니다. 또한 장치는 자신의 상태를 보고할 수 있기 때문에 컨트롤러는 조도 또는 동작 센서와 같은 장치를 모니터하고 잘못된 램프를 감지할 수 있습니다.

DALI 인터페이스 구현

소개에서 언급한 것처럼 일부 기본 온칩 주변 장치를 갖춘 간단하고 저렴한 마이크로 컨트롤러는 주소를 보내고 받고 직렬 데이터 스트림으로 신호를 제어하며 모든 장면 설정 명령을 저장하고 응답하는 측면에서 DALI 통신 프로토콜을 손쉽게 처리할 수 있습니다. 심지어 클록 회복을 위한 아날로그 비교기와 함께 범용 입력/출력(GPIO) 포트를 사용하여 맨체스터 인코딩 구현의 필요도 달성할 수 있습니다. 물론 이 중 어느 것도 DALI에 의해 사용된 매우 완만한 데이터 속도에서 최신 MCU의 성능에 부담을 주지는 않을 것입니다. 그럼에도 불구하고 DALI 통신 인터페이스 온칩을 통합하는 ST의 ST7DALIF2 8비트 MCU는 준수 솔루션을 보장하면서도 설계자의 작업 장비를 간소화하고 시장 출시를 가속화할 수 있는 매우 매력적인 제안입니다.

ST7DALIF2 장치는 ST7 마이크로 컨트롤러 제품군에 속하며 플래시 프로그램 메모리, EEPROM 데이터 메모리 및 RAM, 그리고 타이머, I/O 포트(SPI 포함) 및 고정 이득 연산 증폭기를 갖춘 A/D 컨버터를 포함한 주변 장치 세트로 이루어진 표준 구성을 갖추고 최대 8MHz로 실행하는 8비트 코어 프로세서를 포함한 공통 아키텍처의 이점을 활용합니다. 이 장치는 2.4V ~ 5.5V에서 작동하며 응용 제품이 유휴 상태이거나 대기 중일 때 일반적인 모든 절전 모드를 포함합니다. 최대 15개의 I/O 핀을 제공하는 여러 다른 패키지 옵션이 있습니다. 

ST7DALIF2를 기타 ST7 제품군에서 분명히 차별화하는 것은 그림 2의 내부 제품 구성도에서 오른쪽 하단에 표시된 온칩 DALI 통신 모듈(DCM)입니다.

DALI 통신 모듈(DCM)의 기능성은 DALI 표준 프레임(그림 4)의 그림과 함께 내부 블록 구성도(그림 3)를 참조하여 가장 잘 평가할 수 있습니다. 장치의 작동에 필수 부분은 클록, 주소, 데이터, 제어 및 제어/상태 정보를 저장하는 다양한 레지스터입니다. 레지스터 DCMCLK는 장치의 클록을 DALI 데이터 속도로 조율하는 데 사용되고 DCMFA는 포워드 주소를 제공하고 DCMFD의 포워드 데이터 및 필요한 중지 및 시작 비트와 결합하여 포워드(즉, 전송) 프레임을 형성합니다. DCMBD는 역방향 프레임으로부터 데이터를 수신하고 DCMCR 및 DCMCSR는 제어 및 상태 설정을 유지하는 데 사용됩니다.

ST7DALIF2 MCU는 MCU 논리 레벨에서 DALI 신호만을 지원합니다. 하지만 ST는 하드웨어 평가 모듈로 STEVAL-ILMOO1V1을 개발하여, 모듈을 위한 마더보드로 작동할 뿐만 아니라 DALI 소프트웨어 라이브러리와 함께 제공되는 STM8S-DISCOVERY 키트와 함께 사용할 수 있게 하였습니다. 이 하드웨어 모듈은 주요 전압의 DALI 배선으로의 잘못된 연결에 대비하여 과전압 보호를 제공하는 동시에 상승 시간과 하강 시간으로 MCU 논리 신호를 전체 DALI 전압 레벨로 변환합니다. 이 모듈은 그림 5와 같으며 그림 6은 모듈의 회로도입니다. 

이는 DALI와 그 기능에 대해 사용자가 더 알게 하기 위한 것이지만, 이 모듈은 완전한 작동 DALI 솔루션을 제공하며 어떤 DALI 네트워크에도 연결되고 어떤 DALI네트워크에 의해서도 제어될 수 있습니다. 따라서 플러그인 인터페이스 모듈로 엔드 장비에 이용할 수 있지만 동시에 조명 설계자가 자신의 설계에 직접 통합할 수 있는 참조 설계를 제공하기도 합니다. 실제로 ST는 전체 회로도를 제공할 뿐만 아니라 STEVAL-ILMOO1V1 모듈을 위한 사용자 설명서에 PCB 레이아웃도 제공합니다.

요약

기존의 수동 스위치 패널로부터 건물 관리 시스템에 의해 실현된 고도의 제품에 이르기까지 상업용 건물의 조명 제어에 대한 여러 가능한 솔루션이 있습니다. 조광, 주변광 감지 및 모션 감지에 대한 기능을 갖춘 유연성을 제공하고 전용 배선을 피해야 하는 요구 사항으로 인해 다양한 제어 전략 및 버스 네트워크 솔루션이 만들어 졌습니다. 하지만 DALI AG를 통해서만 표준 조명 인터페이스를 실현할 수 있습니다.

이 기사에서는 DALI는 무엇이고 어떻게 작동하는지 살펴보았으며, 특히 MCU 논리 레벨을 DALI 표준에 의해 지정된 신호 전압으로 변환하는 요구 사항을 해결하는 DALI 활성화 마이크로 컨트롤러 및 회로 설계를 포함한 STMicroelectronics의 솔루션을 참조하였습니다. 궁극적으로 DALI가 성취하는 것은, 사용자가 확신을 갖고 함께 네트워킹할 수 있는 준수 제품을 제조업체가 제공할 수 있게 하여 건물 조명 시스템을 설계하고 설치하며 유지하는 이들에게 공급의 안정성을 보장하는 것입니다. 또한 이러한 표준화는 대량 생산의 경제성 및 설치의 용이성을 통해 비용 이점도 제공합니다.

참고 자료:

1. 조명 제어 장치 시장에 대한 IMS 연구 보도 자료