|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Світлодинамічний пристрій Бегуча хвиля. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Освітлення Анотація. Світлодинамічні пристрої (СДУ) з програмованими алгоритмами дозволяють створювати велику різноманітність світлодинамічних ефектів і керувати за програмою великою кількістю світлових елементів. СДУ з лінійним (плавним) керуванням яскравістю, на відміну від СДУ з дискретним керуванням яскравістю, вимагають застосування окремого апаратного ШІМ-контролера на кожен канал. Тому складність такого пристрою зростає пропорційно до числа світлових елементів. У цій статті розглядається 16-канальний варіант СДУ з плавним управлінням яскравістю, що поєднує в собі простоту схемотехнічних рішень та програмно реалізовану емуляцію 16 апаратних ШІМ-контролерів. Загальні відомості. Одночасне синхронне управління яскравістю великої кількості світлових елементів за лінійним законом вимагає як застосування окремого апаратного ШИМ-контролера за кожен канал, а й синхронізації роботи таких контролерів з певним фазовим зрушенням між каналами. Пропонований пристрій базується на архітектурі програмованого 16-канального контролера з послідовним інтерфейсом, розглянутою в [1]. Відмінності полягають в алгоритмі читання та прошивки ІМС ЕСППЗУ, а також застосування складніших вихідних регістрів типу 74AC595. Даний регістр складається з 16 тригерних осередків, перші вісім з яких входять до складу буферного регістру, а решта вісім - до складу вихідного. Застосування послідовного інтерфейсу дозволяє нарощувати число світлових елементів з мінімальними апаратними витратами без істотного ускладнення схемотехнічної частини основного контролера, а також керувати одночасно і синхронно декількома наборами світлових елементів по лініях послідовного інтерфейсу, довжина яких може досягати 100 м. У найпростішому випадку СДУ реалізує типу "біжуча хвиля" з довжиною слова ШІМ-послідовності, що дорівнює 16 біт. Ефекти змінюються автоматично після чотириразового повторення або вибираються вручну натисканням кнопки. Зі збільшенням обсягу пам'яті використовуваної ІМС ЕСППЗУ можливе збільшення числа каналів, кількості ефектів, а також довжини слова ШІМ-послідовності.
Для плавного керування яскравістю в даному пристрої використано принцип Широтно-Імпульсної Модуляції (ШІМ). ШІМ – це спосіб кодування цифрового сигналу шляхом зміни тривалості (ширини) прямокутних імпульсів несучої частоти. На рис. 1 представлені типові графіки ШІМ сигналу. Оскільки при широтно-імпульсної модуляції частота імпульсів, а отже, і період (T), залишаються незмінними, то при зменшенні тривалості імпульсу (t) збільшується пауза між імпульсами (епюра "Б" на рис. 1) і, навпаки, зі збільшенням тривалості імпульсу пауза зменшується (епюра "В" на рис. 1). У нашому випадку включенню світлодіода відповідає поява на виході регістра рівня логічного нуля, тому яскравість зростає зі збільшенням шпаруватості імпульсів (епюра "Б" на рис. 1), і, навпаки, яскравість зменшується зі зменшенням шпаруватості (епюра "В" на рис. 1 ). Нагадаємо, що шпаруватістю імпульсів називається відношення періоду проходження імпульсів до їх тривалості. Добре - безрозмірна величина і не має одиниць виміру, але може бути виражена у відсотках. У цьому пристрої використовується 16-бітова довжина слова ШІМ-послідовності, що відповідає 16-ти градаціям яскравості світлових елементів. Такого числа градацій яскравості цілком достатньо для візуально плавної зміни яскравості при періоді наростання і спаду хвилі, що "біжить" не перевищує однієї секунди. Зі збільшенням періоду зміни яскравості до двох-трьох секунд переходи між рівнями яскравості (градації) стають візуально помітними, що вимагатиме збільшення довжини слова ШІМ-послідовності. Але для більшості застосувань, якщо не потрібно дуже повільного відтворення ефекту, цілком достатньо і 16 градацій яскравості. Для керування віддаленим набором світлових елементів використовуються три сигнальні лінії послідовного інтерфейсу: "Data", "Clk1" та "Clk2". Перша лінія "Data" - це інформаційний сигнал, а дві інші лінії - "Clk1" і "Clk2" - це сигнали стробування буферних та вихідних регістрів, що відповідно входять до складу ІМС 74AC595. При роботі на довгі неузгоджені лінії зв'язку виникають проблеми передачі даних, пов'язані з добре відомими відображеннями сигналів і перехресними перешкодами, суміжними провідниками, що наводяться, що входять в один джгут. Подібні відображення та перешкоди, що виникають у світлодінамічній системі, означають порушення естетичного ефекту. Це накладає обмеження на довжину сполучної лінії і пред'являє жорсткі вимоги до стійкості до перешкод системи, що використовує послідовний інтерфейс. Перешкодостійкість такої системи залежить від багатьох факторів: частоти і форми імпульсів сигналу, що транслюється, часу між змінами рівнів (шпаруватості) імпульсів, питомої ємності провідників лінії, що входять в джгут, еквівалентного опору лінії, а також вхідного опору приймачів сигналу і вихідного опору драйверів. Ефекти впливу довгих неузгоджених ліній починають виявлятися, коли часи затримок поширення сигналу вздовж лінії і назад починають перевершувати тривалість фронтів наростання та спаду сигналу. Будь-які невідповідності між еквівалентним опором лінії та вхідним опором логічного елемента на приймальній стороні лінії або вихідного опору драйвера на передавальній стороні призводять до багаторазового відображення сигналу. Типове значення часів наростання та спаду фронтів сигналу для мікросхем серії КР1554 становить менше 5 нс, тому ефекти впливу довгих неузгоджених ліній починають виявлятися за її довжини всього п'ятдесят-шістдесят сантиметрів. Знаючи характеристики лінії передачі, такі як повна вхідна та питома ємність на одиницю довжини, можна обчислити час затримки поширення сигналу по всій довжині лінії. Типове значення часу затримки поширення сигналу становить 5-10 нс/м. Якщо довжина сполучної лінії досить велика і тривалість фронтів наростання та спаду сигналу досить мала, невідповідність еквівалентного опору лінії та вхідного опору логічного КМОП елемента на приймальній стороні створює відображення сигналу, амплітуда якого залежить від миттєвого значення напруги, прикладеного до входу елемента, та коефіцієнта відображення, який, у свою чергу, залежить від еквівалентного опору лінії та вхідного опору вхідного логічного елемента. Оскільки вхідний опір елементів ІМС серії КР1554 багаторазово перевершує еквівалентний опір лінії, виконаної кручений парою або екранованим провідником, відбита напруга на вході приймача подвоюється. Цей відбитий сигнал поширюється вздовж лінії назад до передавача, де він відбивається, і процес повторюється до повного згасання сигналу. Особливо підкреслимо, що відображення ніяк не пов'язані з частотою імпульсів сигналу, що транслюється, а викликані тільки великою крутістю фронтів транслюваних синхроімпульсів. Для боротьби з відображеннями у професійній схемотехніці, при роботі на лінії великої довжини (100 м і більше), використовують спеціальні драйвери, що зменшують крутість фронтів синхроімпульсів, що транслюються, і, тим самим, що виключають помилки передачі даних. Для роботи на лінії відносно невеликої довжини (від 10 до 100 м) цілком підходять ІМС стандартної логіки серії КР1554 (74ACxx). Завдяки їх високій здатності навантаження можливе безпосереднє управління навантаженням, що має ємнісний характер. Збалансовані (симетричні) вольтамперні вихідні (передавальні) характеристики елементів цих мікросхем дозволяють отримати практично однакові часи фронтів наростання та спаду сигналу. Крім того, для трансляції сигналів у лінію та прийому можна використовувати потужні буферні елементи на основі тригерів Шмітта, що володіють гістерезисом, мінімальне значення якого становить близько 0,9 при напрузі живлення 4,5 В, що створює додатковий запас перешкодостійкості. Для компенсації відбитого сигналу в даному пристрої використовуються так звані інтегратори або RC-ланцюжки, що інтегрують. Необхідність у них виникає тільки при роботі на лінії завдовжки більше 10 м-коду в умовах підвищеного рівня перешкод. В авторському варіанті пристрою на лініях довжиною до 10 м конденсатори, показані на схемах вихідних регістрів штриховими лініями, не використовувалися. Лінія зв'язку при довжині до 10 м виконується джгутом із 5 провідників, включаючи "Харчування "+12В"" та "Загальний провід". При цьому жодних збоїв немає, навіть без інтегруючих конденсаторів. При довжині сигнальної лінії від 10 до 100 м зростають перехресні перешкоди, які наводять суміжні провідники. У такому випадку кожну сигнальну лінію: "Data", "Clk1" і "Clk2" необхідно виконати окремою кручений парою, а на платах вихідних регістрів встановити конденсатори, показані на схемі штриховими лініями. У такому разі віддалені регістри та гірлянди запитуються від окремого джерела живлення напругою "+12В".
Схема електрична принципова. Світлодинамічний пристрій (рис.2) складається з основної плати контролера та двох плат віддалених регістрів, які підключаються до основної плати за допомогою трьох ліній послідовного інтерфейсу. Загальний провідник (на схемі не показаний) також входить до складу сполучної лінії та виконується багатожильним проводом перерізом не менше 1 мм2. Сполучна лінія закінчується 9-контактною вилкою типу DB-9. На друкованій платі встановлений роз'єм XN1 у відповідь (на схемі також не показаний). Основна плата контролера містить: схему скидання у вихідний стан на тригері Шмітта DD1.4 та елементах C3-R6-R7; генератор, що задає, на елементах DD1.1…DD1.3; схему формування імпульсів синхронізації DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; адресний лічильник DD6.2 вибірки мультиплексора DD9 та лічильники DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 адресації ІМС ЕСППЗУ DD8; світлодіодну лінійку індикації номера сторінки пам'яті (HL1…HL4, зеленого кольору), індикатор зростання-зменшення яскравості (HL5, жовтого кольору), а також індикатор номера світлодінамічного ефекту (HL6, червоного кольору). Для контролю працездатності пристрою на основній платі встановлені регістри DD11, DD12 та світлодіодна лінійка HL7…HL22. Для трансляції сигналів як драйвери використані потужні буферні елементи на основі тригерів Шмітта типу КР1554ТЛ2 (74AC14). Як ІМС пам'яті можна використовувати не тільки ЕСППЗУ типу AT28C16, а й РПЗУ типу КР573РФ2(РФ5). Для розробки керуючої програми використано контролер з інтегрованим програматором, розглянутий у [2] та [3]. Можливий і альтернативний варіант написання керуючої прошивки за допомогою "Віртуального програматора" ("Light Effects Dumper"), але, у такому разі, необхідно перепризначення адресних ліній ІМС ЕСППЗУ (РПЗУ) при програмуванні засобами стандартного програматора. Таку функцію підтримують усі промислові програматори професійного рівня та більшість програматорів середнього рівня. Необхідність перепризначення адресних ліній при програмуванні ЕСППЗУ пов'язана з тим, що при розробці програматора, розглянутого в [2] та [3], спочатку було обрано інший (зворотний) порядок адресних ліній для зручності трасування друкованої плати. Для конкретного контролера [2] і [3] перепризначення адресних ліній на роботі ніяк не відображається, оскільки дані зчитуються в тій самій послідовності, в якій були записані. При розробці СДП “біжуча хвиля” порядок нумерації адресних ліній був збережений, щоб забезпечити сумісність даного пристрою з програматором [2] та [3]. Але в таблиці наведено варіант прошивки світлодинамічних ефектів, сформований за допомогою програми "Віртуального програматора" ("Light Effects Dumper"), щоб читачі змогли переглянути прошивку за допомогою програми "Віртуального симулятора" ("Light Effects Reader"), доступною за посиланням [4 ], і краще ознайомитися з принципами роботи пристрою та розробки програми, що управляє. Принцип роботи. При включенні живлення інтегруючий ланцюжок C3-R6 спільно з тригером Шмітта DD1.4 формує короткий позитивний імпульс, який обнуляє лічильники DD2.1…DD6.2 (крім DD3.1, який не використовується), і, тим самим, переводить контролер у вихідне стан. Імпульси генератора, що задає DD1.1…DD1.3 з частотою близько 130 КГц (точніше 131072 Гц) синхронізують лічильник DD6.1, а за ним і DD6.2 та інші адресні лічильники. Забігаючи вперед, скажімо, що одному повному циклу наростання-спаду яскравості "біжучої хвилі" по тривалості рівному дві секунди відповідає частота генератора, що задає, саме 131072 Гц. Це значення виходить виходячи з частоти оновлення даних у вихідних регістрах, що дорівнює 128 Гц, що набагато перевищує ергономічне значення 85 Гц. Така частота оновлення даних необхідна, щоб унеможливити мерехтіння світлових елементів і створити ілюзію плавної зміни яскравості.
Тимчасова діаграма формування імпульсів синхронізації показано на рис.3. З неї видно, що на кожен імпульс синхронізації вихідних регістрів (Clk2), що формується на виході елемента DD7.2 (висновок 6), припадає 16 імпульсів синхронізації буферних регістрів (Clk1), що входять до складу ІМС 74AC595. Причому, позитивний перепад синхроімпульсу (“Clk1”), що формується на виході елемента DD4.3 (висновок 6), припадає на середину знайомства передачі біта даних. Синхронізація буферного регістру в моменти, що припадають на середину знайоместа, як встановлено досвідченим шляхом, за результатами випробувань базової версії контролера [1], відповідає максимальній стійкості перешкод при роботі на неузгоджені лінії великої довжини. При цьому застосування інтеграторів на входах віддалених регістрів немає необхідності. Перший негативний імпульс, рахуючи з моменту включення живлення, що формується на виході елемента DD4.3 (висновок 6), своїм заднім фронтом (позитивним перепадом) робить запис біта даних, зчитаного з першого осередку ЕСППЗУ за нульовою (0000h) адресою, в перші тригери буферних регістрів, що входять до складу ІМС DD11 та DD14 з одночасним зрушенням інформації у напрямку зростання розрядів. Вміст вихідних регістрів, що входять до складу ІМС DD11, DD12, DD14, DD16, при цьому не змінюється, і світлодіодні лінійки відображають поточну світлодинамічну комбінацію. Як зазначено вище, довжина слова ШІМ-послідовності становить 16 біт, тому для відображення одного рівня (градації) яскравості на лінійці з 16 світлодіодів необхідно передати в регістри пакет даних з 16 x 16 = 256 біт інформації, що умовно відповідає одній сторінці адресного простору ЕСППЗУ. Таким чином, повний цикл зростання-зменшення яскравості займає 32 сторінки адресного простору або 8К, з яких перші 16 сторінок (4К) - це напівцикл зростання яскравості, а друга половина, також 16 сторінок (також об'ємом 4К) - це напівцикл спадання яскравості, вважаючи щодо першого каналу. Негативний перепад кожного позитивного імпульсу з виходу 2 (висновок 4) лічильника DD6.1 збільшує стан лічильника DD6.2 на одиницю, і, отже, підключає до виходу мультиплексора DD9 його десятковий вхід, що відповідає двійковому еквіваленту коду, який, у свою чергу, підключається до виходу відповідного розряду даних ІМС ЕСППЗУ DD8. Після запису 16 біт даних в буферні регістри ІМС DD11, DD12, DD14, DD16 заднім фронтом (позитивним перепадом) негативного імпульсу, що формується на виході елемента DD7.2, проводиться перезапис вмісту буферних регістрів ІМС DD11, DD регістри. На світлодіодних лінійках HL12…HL14 та HL16…HL7 при цьому фіксується нова комбінація. Але сумарного (інтегрального) значення яскравості відповідає саме шістнадцять 22-бітних пакетів, тобто. 23 x 38 = 16 біт даних, переданих у регістри лініями послідовного інтерфейсу, як зазначено вище. Зміна рівнів (градацій) яскравості індикує лінійка світлодіодів HL1…HL4, що відображає у двійковому коді стану лічильника DD3.2. Як видно із схеми електричної (рис.2), лічильні імпульси на вхід DD3.2 приходять з виходу DD2.2 після розподілу на вісім за допомогою лічильника DD2.1. Таке розподіл частоти вихідних імпульсів DD2.2 необхідне повільнішого наростання яскравості, ніж можна було б отримати без розподілу частоти з допомогою лічильника DD2.1. Лічильники DD3.2 та DD5.1 адресують першу половину простору ІМС ЕСППЗУ DD8 у нульовому стані лічильника DD5.2 та другу половину адресного простору ІМС ЕСППЗУ DD8 у одиничному стані даного лічильника. Режим вибору світлових ефектів – ручний або автоматичний – встановлюється перемикачем SA1. У наведеному на схемі положенні відбувається автоматичне чергування ефектів після чотирьох повторень. Це досягається завдяки подачі лічильних імпульсів з виходу третього розряду DD5.1 (висновок 5) на вхід лічильника DD5.2. У нижньому, за схемою, положенні перемикача SA1 короткі позитивні імпульси на вхід лічильника DD5.2 надходять при натисканні SB1. Стани лічильників DD5.1 та DD5.2 індикують, відповідно, жовтий (HL5) та червоний (HL6) світлодіоди.
Конструкція і деталі. Основний контролер зібраний на друкованій платі із двостороннього склотекстоліту розмірами 140 x 90 мм та товщиною 1,5 мм (рис. 4), а вихідні регістри (рис.5) – 90 x 30 мм (рис. 6). У пристрої застосовані постійні резистори типу МЛТ-0,125, підбудовний - СП3-38б, неполярні конденсатори (С1…С3, С8…С10, С12…С14) типу К10-17, оксидні (С4…С7, С11, С15) - К50-35 чи імпортні. На основній платі контролера встановлені надяскраві світлодіоди діаметром 3 мм (HL1...HL6) і діаметром 5 мм (HL7...HL22), а у віддаленій гірлянді - надяскраві чотирьох кольорів КВПМ-15 діаметром 10 мм, розміщені в послідовності, що чергується.
Враховуючи відмінність у падінні напруги на прямо зміщених світлодіодах (для червоного та жовтого це значення становить 2,1 В, а для синього та зеленого – 3,0 В), необхідно послідовно зі світлодіодами включати відповідні обмежувальні резистори: 220 та 150 Ом. Для керування потужним навантаженням вихідні регістри потрібно доповнити транзисторними чи симисторними ключами. Можливе застосування безпосередньо на місці ЕСППЗУ типу AT28C16-15PI мікросхеми пам'яті типу РПЗУ типу КР573РФ2 чи КР573РФ5 без зміни малюнка друкованої плати. Лічильники типу КР1564 ІЕ23 (74HC 4520N) можна замінити на К561 ІЕ10 (CD4520AN), крім ІМС DD3, DD5, до виходів яких підключені індикаторні світлодіоди. Мультиплексор DD9 типу КР1564 КП7 (74HC 151) замінимо на КР1564 КП15 (74HC 251). Сполучна лінія при довжині до 10 м виконується джгутом з 4 багатожильних провідників перерізом 0,35 мм2 (для сигнальних ліній) і 1 мм2 (“загальний” провід) в ізоляції, а при довжині від 10 до 100 м сигнальні лінії необхідно виконати окремими крученими парами а на платах вихідних регістрів встановити інтегруючі конденсатори, ємністю не більше 150 пФ.
Підготовка до роботи пристрою зібраного з справних деталей і без помилок полягає у записі прошивки в ІМС ЕСППЗУ (РПЗУ) засобами стандартного програматора. При цьому необхідно програмно перепризначити порядок адресних ліній ІМС ЕСППЗУ, вибравши відповідну опцію у програмі. Перш ніж запрограмувати мікросхему ЕСППЗУ, текстовий файл програми (див. таблицю) необхідно конвертувати в двійковий формат за допомогою однієї з програм-конверторів, що безкоштовно розповсюджуються, наприклад, [5]. Вибрати бажану швидкість відтворення світлодінамічних ефектів можна за допомогою підстроювального резистора R3 на основній платі контролера. Джерела
Автор: Одинець А.Л.
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ Отрута павука врятує при серцевому нападі ▪ Бібліотека від Freescale для реалізації захищеного радіоканалу ▪ NEC: перший у світі HD-DVD привід ▪ Процесорна система охолодження Zalman CNPS10X Performa Black ▪ Стандартизований режим HDMI Alternate Mode для підключення USB-C
▪ Розділ сайту Веселі завдання. Добірка статей ▪ стаття Столипінська краватка. Крилатий вислів ▪ стаття Якому птаху дали назви як мінімум чотири різні держави? Детальна відповідь ▪ стаття Машиніст бурильно-кранової установки. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Формувач заданого числа імпульсів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Балансуючі сірникові коробки. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page