深入理解 DALI 协议：曼彻斯特编解码与 Input Capture 实现

DALI 协议物理层

DALI（Digital Addressable Lighting Interface）是 IEC 62386 标准定义的照明控制总线协议。物理层核心参数：

• 数据速率：1200 bps（±10% 容差）
• 编码方式：曼彻斯特（Manchester / bi-phase）编码
• 总线拓扑：两线差分，半双工，最大压降 2V
• 位周期：833.33 µs（1/1200 s）
• 半位周期 Te：416.67 µs

DALI 帧分两类：

• 前向帧（控制器 → 设备）：1 起始位 + 16 数据位 + 2 停止位 = 19 位，总时长 38 Te ≈ 15.83 ms
• 后向帧（设备 → 控制器）：1 起始位 + 8 数据位 + 2 停止位 = 11 位，总时长 22 Te ≈ 9.17 ms

每个字节按 MSB first 顺序发送。前向帧的 16 个数据位中，先发地址字节（bit17–10），再发数据字节（bit9–2），最后是两个停止位（bit1–0，恒为 11）。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的规则是：每位中心必须发生一次电平跳变，用跳变方向区分逻辑值。

• 逻辑 1：位中心出现上升沿（低 → 高）
• 逻辑 0：位中心出现下降沿（高 → 低）

当连续两个位的值相同时，位边界处额外多一次跳变；值不同时，位边界无跳变。这意味着相邻边沿的时间间隔只有两种可能：短脉冲 ≈ 1 Te（位边界），长脉冲 ≈ 2 Te（位中心）。这一特性是接收端解码的关键。

以连续三个位 1, 1, 0 的反相曼彻斯特波形为例。位 1 的两半依次为高电平、低电平，位中心是下降沿（长脉冲 ≈ 2Te）。两个连续的 1 之间在位边界处有额外跳变（短脉冲 ≈ 1Te），因为前后位的值相同。位 0 的两半依次为低电平、高电平，位中心是上升沿（长脉冲 ≈ 2Te）。位 1 和位 0 值不同，位边界无跳变。

DALI 总线通常经光耦或晶体管驱动，硬件上反相一次。因此 MCU 侧 GPIO 的实际波形是反相曼彻斯特：1 对应 高 → 低（下降沿），0 对应 低 → 高（上升沿）。总线空闲时 MCU 引脚保持低电平。

TX 发送：定时器驱动的 GPIO 位拆裂

硬件平台是 Air001（Cortex-M0+，48 MHz）。发送端将 TIM16 配置为 2400 Hz（Period = 20000，即 48 MHz / 20000），每 Te 触发一次中断。ISR 根据发送缓冲区 LSB 判断当前位值，按半位奇偶序号决定 GPIO 输出电平：编码 1 时前半输出 HIGH 后半输出 LOW，编码 0 时前半输出 LOW 后半输出 HIGH。每个完整位（两个半位）结束后，发送缓冲区右移一位，直到 38 个半位（前向帧）或 22 个半位（后向帧）全部发送。

发送前，帧数据按 MSB first 装入发送缓冲区：停止位在最低位方向，起始位在最高位方向，中间按地址字节、数据字节的顺序逐位填入。

RX 接收：两种方案的对比

接收端的核心挑战是从 GPIO 引脚上的曼彻斯特波形中恢复数据和时钟。同一块 MCU 上，可以走两条完全不同的路线。

方案一：固定间隔采样

思路很简单：先靠 EXTI 捕获起始位的两个边沿完成同步，然后启动一个定时器，按固定间隔（如 1.5 Te ≈ 625 µs）周期性采样引脚电平，直接移位存入接收缓冲。

问题：因为相邻位值相同时位边界会有额外跳变，实际边沿间隔在 1 Te 和 2 Te 之间交替，固定 1.5 Te 采样点会随数据模式漂移，恰好落在电平翻转区时读到不确定值。此外，真实的 1200 bps 时钟有 ±10% 允许偏差，累积几个位后采样窗口就会偏移到错误位置。

方案二：Input Capture 边沿时间差测量

不依赖任何固定采样节拍。每收到一个 GPIO 边沿，从自由运行定时器中抓取时间戳。计算相邻边沿的时间差，直接分类：

• ≈ 1 Te（313–521 µs）：位边界跳变，不产生数据
• ≈ 2 Te（625–1041 µs）：位中心跳变，记录一个数据位
• > 2 ms：帧结束，触发解析

边沿测量自动适应 ±10% 时钟偏差，不受数据模式影响，抗抖动能力由容差窗口宽度直接决定。

RX Input Capture 实现细节

TIM17 被配置为自由运行计数器：48 MHz 时钟经 48 分频（Prescaler = 47），得到 1 MHz 计数频率，每 tick = 1 µs。Period 设为 0xFFFF，溢出后自然回绕。在主循环初始化阶段调用 HAL_TIM_Base_Start 以非中断模式启动，此后持续运行。边沿时间戳的读取通过 __HAL_TIM_GET_COUNTER 宏完成，uint16_t 自然溢出保证差值计算总是正确。

RX 引脚 PA1 配置为 EXTI 双沿触发。每个边沿进入中断后，从 TIM17 计数器读取当前时间戳，计算与上一个边沿的差值，驱动三级状态机。

状态 0 — IDLE：空闲。收到第一个边沿，转入 START_EDGE1，记录时间戳和引脚电平。

状态 1 — START_EDGE1：等待第二个边沿。若间隔 ≈ 1 Te，确认为有效起始位，记录其值（反相曼彻斯特下，引脚低电平取反得 1），转入 DECODING；否则当作噪声退回 IDLE。

状态 2 — DECODING：按间隔分类处理。短脉冲（≈ 1 Te）仅更新上次电平和时间戳，不产生数据。长脉冲（≈ 2 Te）说明位中心跳变到达，此时数据位的值由跳变前的引脚电平决定（反相曼彻斯特下，高电平之后的跳变表示逻辑 1，低电平之后的跳变表示逻辑 0）。解码出的 bit 左移进入接收缓冲，递增位计数。间隔超出容差范围则认为帧异常，退回 IDLE。

状态转移规则：

• IDLE → START_EDGE1：第 1 个边沿触发
• START_EDGE1 → DECODING：第 2 个边沿间隔 ≈ 1Te，起始位确认
• START_EDGE1 → IDLE：第 2 个边沿间隔非 1Te，判为噪声丢弃
• DECODING → IDLE：delta 超出 SHORT/LONG 容差窗口，帧异常重置
• DECODING 自循环：每次边沿继续解码
• DECODING 超时退出：最后边沿距今超过 2ms，主循环判定帧结束，解析后回到 IDLE

每次进入 EXTI 中断都会刷新帧超时计时标记，供主循环判断帧结束。

帧格式验证与数据提取

主循环中 DALI_Update 轮询检查：当状态为 DECODING 且最后边沿距今超过 2 ms，判定帧结束，进入解析。

收到的比特流含起始位 + 数据 + 停止位。验证起始位和停止位模式后提取数据：

• 前向帧（≥ 19 位）：raw[1:0] == 11（停止位），raw[18] == 1（起始位），中间 16 位为地址字节 + 数据字节
• 后向帧（≥ 11 位）：raw[1:0] == 11，raw[10] == 1，中间 8 位为响应字节

TX 端已经按 MSB first 发送，但接收缓冲的移位方向造成每个字节内位序颠倒，提取时用 reverse_byte() 恢复正确字节值。完整状态机在解析完成后重置，等待下一帧。

总结

平台无关的关键结论是：对自时钟编码（Manchester、BMC 等），用边沿时间测量替代固定节拍采样，是可以用极少硬件代价（一个自由运行定时器 + 一个双沿 EXTI）换取解码鲁棒性的通用方案。

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