原标题：基于 Arduino Nano R3 DALI 控制器（示意图+代码）

Arduino Nano R3 DALI 控制器：详细设计与实现

在现代智能建筑和家居自动化系统中，照明控制扮演着至关重要的角色。DALI（数字可寻址照明接口）协议作为一种国际公认的开放标准，因其强大的可寻址性、双向通信能力和灵活的控制方式，被广泛应用于专业照明领域。对于电子爱好者或小型项目开发者而言，利用Arduino等低成本微控制器来构建DALI控制器，是一种极具吸引力且成本效益高的选择。本文将深入探讨如何基于Arduino Nano R3微控制器，设计并实现一个功能完善的DALI主控设备，详细剖析每个关键元器件的选择及其在电路中的作用，并提供一套可直接使用的代码示例。我们将从DALI协议的物理层原理出发，逐步构建一个安全、可靠且高效的控制系统。

DALI协议核心原理与Arduino接口挑战

DALI协议的物理层基于一种曼彻斯特编码的差分信号传输机制，但其总线电压和电流要求与标准的TTL或CMOS逻辑电平截然不同。DALI总线通常需要一个16V的恒压电源，逻辑“1”状态对应于总线电压维持在16V附近，而逻辑“0”则通过短时将总线电压拉低至约8V来实现，最大拉低电流约为250mA。这种高电压、高电流的特性，使得我们不能直接将Arduino Nano R3的数字引脚（通常工作在0-5V，只能提供几十毫安电流）连接到DALI总线上。因此，为了实现Arduino与DALI总线的通信，我们必须设计一个中间接口电路，该电路需要完成两个核心任务：首先，将Arduino的5V数字信号转换为DALI总线所需的16V电平切换；其次，提供足够的电流来驱动DALI总线，并确保总线电压在逻辑“0”时能可靠地被拉低。此外，考虑到DALI总线的高电压，为了保护Arduino微控制器免受高压冲击，并防止地电位差异造成的干扰，设计中必须引入电气隔离措施，这也是构建一个安全可靠系统的关键所在。

优选元器件型号详解及其作用

为了实现上述功能，我们精心挑选了以下核心元器件来构建我们的DALI接口电路。这些元器件不仅性能稳定，而且易于获取，成本低廉，非常适合DIY项目。

1. 微控制器核心：Arduino Nano R3

• 元器件型号： Arduino Nano R3（基于ATmega328P芯片）。

• 为何选择： Arduino Nano R3因其紧凑的尺寸、完整的USB接口、丰富的I/O引脚（包括数字、模拟和PWM）以及广泛的社区支持而成为理想选择。它基于高性能的ATmega328P微控制器，具有足够的处理能力和内存（32KB闪存，2KB SRAM）来处理DALI协议的定时和逻辑控制任务。更重要的是，它的开源硬件和软件生态系统使得开发、调试和扩展变得异常简单，是快速原型设计的首选平台。其5V工作电压也与我们选择的隔离元器件完美兼容。

2. 隔离与驱动核心：光耦（PC817）

• 元器件型号： PC817。

• 为何选择： PC817是一款非常常见且经济的光电耦合器。它的核心作用是实现电气隔离。光耦内部包含一个发光二极管（LED）和一个光敏三极管（光敏晶体管）。当Arduino引脚（例如D2）输出高电平，通过限流电阻点亮光耦的LED时，光敏三极管会被光线触发而导通，从而在DALI总线一侧形成一个低阻抗通路。反之，当LED熄灭时，光敏三极管截止。PC817的优点在于其高隔离电压（通常高达5000Vrms），能够完全将Arduino的5V地和DALI总线的地电位隔离，有效防止高压反冲、浪涌和接地故障对微控制器的损害。其响应速度（上升/下降时间）约为，足以满足DALI协议1200波特的传输速率（一个位周期为833mus）。

3. DALI总线驱动：NPN晶体管（BC547）

• 元器件型号： BC547。

• 为何选择： BC547是一款通用小功率NPN型双极性晶体管，其高放大倍数（hFE）和低成本使其成为理想的开关元件。在我们的电路中，它将充当一个电子开关，由光耦的光敏晶体管驱动。当光耦输出的光敏晶体管导通时，会向BC547的基极提供电流，使其饱和导通，从而将DALI总线上的数据线可靠地拉低到8V左右。BC547的集电极最大电流（IC）为100mA，足以满足DALI协议规定的最大拉低电流要求。其快速的开关特性也能保证信号的完整性。

4. DALI总线电源与保护：稳压电源模块与电阻

• 元器件型号： 16V稳压直流电源、100Ω电阻（1/2W或更高）、150Ω电阻（1/2W或更高）、1N4148二极管等。

• 为何选择： DALI总线需要一个稳定的16V直流电源来维持其逻辑高电平。我们使用一个外部的16V直流电源来实现这一点。为了保护DALI总线，我们必须加入一个100Ω的限流电阻串联在电源与总线之间，其作用是在DALI设备将总线拉低时限制电流，防止电源过载。这个电阻的选择也至关重要，它需要能够承受持续的功率耗散。DALI协议规定逻辑“0”时总线电压为8V，因此总线上的压降为16V−8V=8V，电流为8V/100Ω=80mA，功率耗散为P=I2R=(0.08A)2times100Ω=0.64W，因此我们建议使用1/2W或1W的电阻以确保安全裕度。我们还将在DALI总线上使用一个150Ω的上拉电阻，用于在光耦和晶体管均关闭时将DALI总线维持在逻辑高电平。1N4148等快速开关二极管可以用于保护光耦和晶体管，防止电压反向或尖峰损坏。

电路示意图与连接方式详解

考虑到无法直接绘制图形，我将用文字详细描述电路连接，以便您能清晰地理解并搭建：

DALI发送（TX）电路：

1. Arduino Nano R3的数字引脚D2作为DALI信号的发送端。

2. 将一个220Ω的限流电阻串联在Arduino D2引脚和PC817光耦的LED阳极之间，用于保护LED。

3. PC817的LED阴极连接到Arduino的GND引脚。

4. PC817的光敏晶体管集电极（Collector）连接到DALI总线的数据线，即DALI总线的DA+端。

5. PC817的光敏晶体管发射极（Emitter）连接到BC547 NPN晶体管的基极（Base），通过一个10kΩ的下拉电阻连接到DALI总线的地（DA-）。这个下拉电阻用于确保BC547在光耦关闭时可靠截止。

6. BC547的集电极连接到DALI总线地（DA-）。

7. BC547的发射极连接到DALI总线的DA+端。

DALI接收（RX）电路：

1. DALI总线是一个双向通信协议，因此我们还需要一个接收电路。

2. 将一个150kΩ电阻串联在DALI总线DA+和DA-之间。

3. 将一个10kΩ电阻串联在Arduino D3引脚和DALI总线DA+之间。

4. 将一个1N4148二极管的阳极连接到DALI总线DA+，阴极连接到Arduino D3引脚。

5. 将DALI总线DA-连接到Arduino的GND引脚。

DALI总线供电：

1. 使用一个外部16V直流电源。

2. 电源正极（+）通过一个100Ω限流电阻连接到DALI总线的DA+。

3. 电源负极（-）连接到DALI总线的DA-。

此电路的核心思想是，当Arduino D2输出高电平时，光耦的LED亮，光敏晶体管导通，向BC547的基极提供电流，使其导通，从而将DALI总线DA+拉低，产生逻辑“0”信号。当D2输出低电平，光耦LED灭，BC547截止，DALI总线DA+由外部16V电源通过100Ω电阻维持在逻辑“1”。接收电路则通过分压将DALI总线的信号降压至Arduino可接受的5V以下，并使用二极管进一步保护引脚。

Arduino DALI控制代码示例

以下是基于Arduino Nano R3的DALI主控代码示例。为了简洁和易于理解，我们自己实现一个简单的DALI协议库，不依赖外部库。代码将演示如何发送单字节命令（例如开关灯）和控制亮度。

```{cpp}
#include <Arduino.h>

// DALI 总线发送引脚定义
// DALI bus TX pin definition
const int DALI_TX_PIN = 2; 

// DALI 协议相关常量
// DALI protocol related constants
const int DALI_BAUD_RATE = 1200;
const int DALI_BIT_PERIOD_US = 1000000 / DALI_BAUD_RATE; // 833.33 us per bit
const int DALI_HALF_BIT_PERIOD_US = DALI_BIT_PERIOD_US / 2; // 416.67 us per half bit

// DALI 命令地址
// DALI command addresses
const int DALI_ADDRESS = 0; // The address of the DALI device to control
const int BROADCAST_ADDRESS = 254; // Broadcast address

// DALI 命令
// DALI commands
const int DALI_OFF_COMMAND = 0x00;
const int DALI_ON_COMMAND = 0x01;

// 函数: 发送单个DALI位
// Function: send a single DALI bit
void daliSendBit(int bit) {
  if (bit == 1) {
    // 发送逻辑1: 10
    // Send logic 1: 10
    digitalWrite(DALI_TX_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(DALI_HALF_BIT_PERIOD_US);
    digitalWrite(DALI_TX_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(DALI_HALF_BIT_PERIOD_US);
  } else {
    // 发送逻辑0: 01
    // Send logic 0: 01
    digitalWrite(DALI_TX_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(DALI_HALF_BIT_PERIOD_US);
    digitalWrite(DALI_TX_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(DALI_HALF_BIT_PERIOD_US);
  }
}

// 函数: 发送8位DALI字节
// Function: send an 8-bit DALI byte
void daliSendByte(uint8_t data) {
  // 从最高位开始发送
  // Send from the most significant bit
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    daliSendBit((data >> i) & 0x01);
  }
}

// 函数: 发送DALI帧 (地址字节 + 数据字节)
// Function: send a DALI frame (address byte + data byte)
void daliSendCommand(uint8_t address, uint8_t command) {
  // 发送一个起始位
  // Send a start bit
  daliSendBit(0); 

  // 发送地址字节
  // Send the address byte
  daliSendByte(address);

  // 发送命令字节
  // Send the command byte
  daliSendByte(command);

  // 发送两个停止位
  // Send two stop bits
  daliSendBit(1);
  daliSendBit(1);

  // 帧间最小时间间隔
  // Minimum inter-frame gap
  delayMicroseconds(10000); // 10ms
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(DALI_TX_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(DALI_TX_PIN, LOW); // 初始状态为低电平

  // 等待初始化
  // Wait for initialization
  delay(1000);
  Serial.println("DALI Controller Initialized.");
}

void loop() {
  // 发送广播命令：全关
  // Send broadcast command: all off
  Serial.println("Sending DALI OFF command...");
  daliSendCommand(BROADCAST_ADDRESS, DALI_OFF_COMMAND);
  delay(2000); // Wait 2 seconds

  // 发送广播命令：全开
  // Send broadcast command: all on
  Serial.println("Sending DALI ON command...");
  daliSendCommand(BROADCAST_ADDRESS, DALI_ON_COMMAND);
  delay(2000); // Wait 2 seconds
}