Dispositivo fotodinamico Onda viaggiante. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Astratto. I dispositivi di dinamica della luce (LDD) con algoritmi programmabili consentono di creare un'ampia varietà di effetti di dinamica della luce e di controllare un gran numero di elementi luminosi in base al programma. Le SDU con controllo della luminosità lineare (uniforme), a differenza delle SDU con controllo della luminosità discreto, richiedono l'uso di un controller PWM hardware separato per ciascun canale. Pertanto, la complessità di un tale dispositivo aumenta in proporzione al numero di elementi luminosi.

Questo articolo discute una versione a 16 canali dell'SDU con controllo uniforme della luminosità, che combina la semplicità delle soluzioni circuitali e l'emulazione implementata via software di 16 controller PWM hardware.

Panoramica. Il controllo simultaneo e sincrono della luminosità di un gran numero di elementi luminosi secondo una legge lineare richiede non solo l'uso di un controller PWM hardware separato per ciascun canale, ma anche la sincronizzazione del funzionamento di tali controller con un certo sfasamento tra i canali. Il dispositivo proposto si basa sull'architettura di un controller programmabile a 16 canali con interfaccia seriale, discusso in [1]. Le differenze risiedono nell'algoritmo di lettura e nel firmware dell'IC EEPROM, nonché nell'uso di registri di uscita più complessi come 74AC595. Questo registro è costituito da 16 celle di trigger, le prime otto delle quali fanno parte del registro buffer e le restanti otto fanno parte del registro di uscita.

L'uso di un'interfaccia seriale consente di aumentare il numero di elementi luminosi con costi hardware minimi senza complicare significativamente la circuiteria del controller principale, nonché di controllare contemporaneamente e in modo sincrono diversi set di elementi luminosi tramite linee di interfaccia seriale, la lunghezza di che può raggiungere i 100 m.. Nel caso più semplice, la SDU implementa due effetti luminosi del tipo "onda viaggiante" con una parola di sequenza PWM lunga 16 bit. Gli effetti cambiano automaticamente dopo averli ripetuti quattro volte o vengono selezionati manualmente premendo un pulsante. Aumentando la capacità di memoria dell'IC EEPROM utilizzato, è possibile aumentare il numero di canali, il numero di effetti e la lunghezza delle parole della sequenza PWM.

Per un controllo uniforme della luminosità, questo dispositivo utilizza il principio della modulazione della larghezza dell'impulso (PWM). PWM è un metodo per codificare un segnale digitale modificando la durata (larghezza) degli impulsi rettangolari della frequenza portante. Nella fig. La Figura 1 mostra i grafici tipici di un segnale PWM. Poiché durante la modulazione dell'ampiezza dell'impulso la frequenza dell'impulso, e quindi il periodo (T), rimane invariata, al diminuire della durata dell'impulso (t) aumenta la pausa tra gli impulsi (diagramma “B” in Fig. 1) e, viceversa, all'aumentare della durata diminuisce la pausa degli impulsi (schema “B” in Fig. 1). Nel nostro caso, l'accensione del LED corrisponde alla comparsa di un livello zero logico all'uscita del registro, quindi la luminosità aumenta all'aumentare del duty cycle degli impulsi (schema “B” in Fig. 1) e, viceversa, la luminosità diminuisce al diminuire del duty cycle (diagramma “B” in Fig. 1). Ricordiamo che il ciclo di lavoro degli impulsi è il rapporto tra il periodo di ripetizione degli impulsi e la loro durata. Il duty factor è una quantità adimensionale e non ha unità di misura, ma può essere espresso in percentuale.

Questo dispositivo utilizza una lunghezza di parola di 16 bit della sequenza PWM, che corrisponde a 16 gradazioni di luminosità degli elementi luminosi. Questo numero di gradazioni di luminosità è abbastanza sufficiente per un cambiamento di luminosità visivamente uniforme con un periodo di salita e discesa dell '"onda viaggiante" non superiore a un secondo. Quando il periodo di variazione della luminosità aumenta a due o tre secondi, le transizioni tra i livelli di luminosità (gradazione) diventano visivamente evidenti, il che richiederà un aumento della lunghezza delle parole della sequenza PWM. Ma per la maggior parte delle applicazioni, se non è necessaria una riproduzione molto lenta dell'effetto, sono sufficienti 16 gradazioni di luminosità.

Per controllare un set remoto di elementi luminosi, vengono utilizzate tre linee di segnale dell'interfaccia seriale: "Data", "Clk1" e "Clk2". La prima riga "Data" è un segnale di informazione, e le altre due righe - "Clk1" e "Clk2" - sono segnali di gate rispettivamente per il buffer e i registri di uscita, inclusi nell'IC 74AC595.

Quando si opera su lunghe linee di comunicazione non coordinate, sorgono problemi di trasmissione dati a causa delle ben note riflessioni del segnale e della diafonia indotte da conduttori adiacenti inclusi nello stesso fascio. Tali riflessioni e interferenze che si verificano nel sistema dinamico della luce significano una violazione dell'effetto estetico. Ciò impone restrizioni sulla lunghezza della linea di collegamento e impone requisiti severi sull'immunità ai disturbi di un sistema che utilizza un'interfaccia seriale.

L'immunità al rumore di un tale sistema dipende da molti fattori: la frequenza e la forma degli impulsi del segnale trasmesso, il tempo tra le variazioni dei livelli (fattore di lavoro) degli impulsi, la capacità specifica dei conduttori di linea inclusi nel fascio , la resistenza equivalente della linea, nonché la resistenza di ingresso dei ricevitori di segnale e la resistenza di uscita dei driver.

Gli effetti di linee lunghe e non abbinate iniziano ad apparire quando i tempi di ritardo della propagazione del segnale lungo la linea e ritorno iniziano a superare la durata dei fronti di salita e di discesa del segnale. Qualsiasi disadattamento tra l'impedenza di linea equivalente e l'impedenza di ingresso dell'elemento logico sul lato ricevente della linea o l'impedenza di uscita del driver sul lato trasmittente provoca riflessioni multiple del segnale. Il valore tipico dei tempi di salita e discesa dei fronti del segnale per i microcircuiti della serie KR1554 è inferiore a 5 ns, quindi gli effetti di lunghe linee non abbinate iniziano ad apparire quando la sua lunghezza è di soli cinquanta-sessanta centimetri.

Conoscendo le caratteristiche della linea di trasmissione, quali la capacità totale di ingresso e la capacità specifica per unità di lunghezza, è possibile calcolare il tempo di ritardo della propagazione del segnale lungo l'intera lunghezza della linea. Un tipico tempo di ritardo della propagazione del segnale è solitamente di 5-10 ns/m. Se la lunghezza della linea di collegamento è sufficientemente lunga e la durata dei fronti di salita e di discesa del segnale è sufficientemente breve, la discrepanza tra la resistenza equivalente della linea e la resistenza di ingresso dell'elemento logico CMOS sul lato ricevente crea un riflessione del segnale, la cui ampiezza dipende dal valore istantaneo della tensione applicata all'ingresso dell'elemento e dal coefficiente di riflessione, che a sua volta dipende dalla resistenza di linea equivalente e dalla resistenza di ingresso dell'elemento logico di ingresso.

Poiché la resistenza di ingresso degli elementi IC della serie KR1554 è molte volte maggiore della resistenza equivalente di una linea realizzata con doppino intrecciato o conduttore schermato, la tensione riflessa all'ingresso del ricevitore raddoppia. Questo segnale riflesso si propaga lungo la linea fino al trasmettitore, dove viene nuovamente riflesso e il processo si ripete finché il segnale non viene completamente attenuato.

Sottolineiamo in particolare che le riflessioni non sono in alcun modo correlate alla frequenza degli impulsi del segnale trasmesso, ma sono causate solo dalla grande pendenza dei fronti degli impulsi di clock trasmessi. Per combattere le riflessioni nei circuiti professionali, quando si lavora su linee lunghe (100 m o più), vengono utilizzati driver speciali che riducono la pendenza dei fronti degli impulsi di clock trasmessi, eliminando così gli errori di trasmissione dei dati.

Per il funzionamento su una linea di lunghezza relativamente breve (da 10 a 100 m), i circuiti integrati logici standard della serie KR1554 (74ACxx) sono abbastanza adatti. Grazie alla loro elevata capacità di carico è possibile controllare direttamente carichi capacitivi. Le caratteristiche di uscita (trasferimento) di corrente-tensione bilanciate (simmetriche) degli elementi di questi microcircuiti consentono di ottenere tempi di salita e discesa del segnale quasi identici. Inoltre, per trasmettere segnali sulla linea e riceverli, è possibile utilizzare potenti elementi buffer basati su trigger Schmitt, che hanno un'isteresi, il cui valore minimo è di circa 0,9 V con una tensione di alimentazione di 4,5 V, che crea un margine aggiuntivo di immunità al rumore.

Per compensare il segnale riflesso, questo dispositivo utilizza i cosiddetti integratori o catene RC integrative. La loro necessità sorge solo quando si lavora su una linea più lunga di 10 m in condizioni di aumento del livello di rumore. Nella versione dell'autore del dispositivo, su linee lunghe fino a 10 m, non sono stati utilizzati i condensatori mostrati negli schemi dei registri di uscita con linee tratteggiate. Una linea di comunicazione con una lunghezza fino a 10 m viene realizzata con un fascio di 5 conduttori, tra cui “Alimentazione “+12V”” e “Filo comune”. In questo caso non si osservano guasti, anche senza l'integrazione dei condensatori. Quando la lunghezza della linea del segnale è compresa tra 10 e 100 m, la diafonia indotta dai conduttori adiacenti aumenta. In questo caso, ciascuna linea di segnale: “Data”, “Clk1” e “Clk2” deve essere realizzata con un doppino intrecciato separato, e i condensatori mostrati nello schema con le linee tratteggiate devono essere installati sulle schede dei registri di uscita. In questo caso, i registri e le ghirlande remoti sono alimentati da un alimentatore separato con una tensione di “+12V”.

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Diagramma schematico. Il dispositivo di luce dinamica (Fig. 2) è costituito dalla scheda del controller principale e da due schede di registro remote, collegate alla scheda principale tramite tre linee di interfaccia seriale. Anche il conduttore comune (non mostrato nello schema) fa parte della linea di collegamento ed è costituito da un filo a trefoli con una sezione di almeno 1 mm2. La linea di collegamento termina con una spina DB-9 a 9 pin. Sulla scheda a circuito stampato è installato un connettore corrispondente XN1 (anch'esso non mostrato nello schema).

La scheda controller principale contiene: un circuito di ripristino basato sul trigger Schmitt DD1.4 e sugli elementi C3-R6-R7; oscillatore master basato sugli elementi DD1.1…DD1.3; circuito per la generazione degli impulsi di sincronizzazione DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; contatore di indirizzi DD6.2 multiplexer di campionamento DD9 e contatori DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 IC di indirizzamento EEPROM DD8; una linea LED che indica il numero della pagina di memoria (HL1...HL4, verde), un indicatore per aumentare e diminuire la luminosità (HL5, giallo), nonché un indicatore per il numero dell'effetto di luce dinamica (HL6, rosso). Per monitorare le prestazioni del dispositivo, sulla scheda principale sono installati i registri DD11, DD12 e una striscia LED HL7...HL22. Per la trasmissione dei segnali vengono utilizzati come driver potenti elementi buffer basati su trigger Schmitt del tipo KR1554TL2 (74AC14). Come circuito integrato di memoria è possibile utilizzare non solo EEPROM tipo AT28C16, ma anche RPOM tipo KR573RF2 (RF5).

Per sviluppare il programma di controllo è stato utilizzato un controller con programmatore integrato, discusso in [2] e [3]. È anche possibile un'opzione alternativa per scrivere il firmware di controllo utilizzando il "Programmatore virtuale" ("Dumper degli effetti di luce"), ma in questo caso è necessario riassegnare le linee di indirizzo dell'IC EEPROM (EPROM) quando lo si programma utilizzando un standard programmatore. Questa funzione è supportata da tutti i programmatori industriali di livello professionale e dalla maggior parte dei programmatori di medio livello. La necessità di riassegnare le linee di indirizzo durante la programmazione della EEPROM è dovuta al fatto che durante lo sviluppo del programmatore discusso in [2] e [3], inizialmente è stato scelto un ordine diverso (inverso) delle linee di indirizzo per comodità di tracciare il circuito stampato . Per uno specifico controller [2] e [3], la riassegnazione delle linee di indirizzo non influisce in alcun modo sul funzionamento, poiché i dati vengono letti nella stessa sequenza in cui sono stati scritti. Durante lo sviluppo dell'SDS “traveling wave”, l'ordine di numerazione delle linee di indirizzo è stato preservato per garantire la compatibilità di questo dispositivo con il programmatore [2] e [3].

Ma la tabella mostra una versione del firmware per effetti di luce dinamici, generata utilizzando il programma "Virtual Programmer" ("Light Effects Dumper"), in modo che i lettori possano visualizzare il firmware utilizzando il programma "Virtual Simulator" ("Light Effects Reader" ), disponibile al link [4], e acquisire maggiore familiarità con i principi di funzionamento del dispositivo e lo sviluppo del programma di controllo.

Come funziona. All'accensione, la catena integrata C3-R6 insieme al trigger Schmitt DD1.4 genera un breve impulso positivo, che azzera i contatori DD2.1...DD6.2 (eccetto DD3.1, che non viene utilizzato ), reimpostando così lo stato del controller. Gli impulsi provenienti dall'oscillatore master DD1.1...DD1.3 con una frequenza di circa 130 KHz (più precisamente 131072 Hz) sincronizzano il contatore DD6.1, e dopo di esso DD6.2 e il resto dei contatori di indirizzi. Guardando al futuro, diciamo che un ciclo completo di luminosità crescente e decrescente dell '"onda viaggiante", con una durata pari a due secondi, corrisponde esattamente alla frequenza dell'oscillatore principale esattamente 131072 Hz. Questo valore si ottiene in base alla velocità di aggiornamento dei dati nei registri di uscita pari a 128 Hz, che è molto superiore al valore ergonomico di 85 Hz. Questa frequenza di aggiornamento dei dati è necessaria per eliminare lo sfarfallio degli elementi luminosi e creare l'illusione di un cambiamento graduale della luminosità.

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Il diagramma temporale della formazione degli impulsi di sincronizzazione è mostrato in Fig. 3. Mostra che per ciascun impulso di sincronizzazione del registro di uscita ("Clk2") generato all'uscita dell'elemento DD7.2 (pin 6), ci sono 16 impulsi di sincronizzazione del registro buffer ("Clk1"), che fanno parte dell'IC 74AC595. Inoltre, la caduta positiva dell'impulso di clock (“Clk1”), formata all'uscita dell'elemento DD4.3 (pin 6), si trova nel mezzo della familiarità di trasmissione dei bit di dati. La sincronizzazione del registro buffer nei momenti che rientrano nel mezzo della familiarità, come stabilito sperimentalmente, sulla base dei risultati dei test della versione base del controller [1], corrisponde alla massima immunità al rumore quando si opera su linee lunghe senza eguali. In questo caso non è necessario utilizzare integratori agli ingressi dei registri remoti.

Il primo impulso negativo, contando dal momento dell'accensione, generato all'uscita dell'elemento DD4.3 (pin 6), con il suo fronte di discesa (fronte positivo) scrive il bit di dati letto dalla prima cella EEPROM all'indirizzo zero (0000h) nei primi registri buffer dei flip-flop inclusi nei circuiti integrati DD11 e DD14 con uno spostamento simultaneo delle informazioni nella direzione dei bit crescenti. Il contenuto dei registri di uscita inclusi nell'IC DD11, DD12, DD14, DD16 non cambia e le barre LED mostrano l'attuale combinazione di luce dinamica. Come notato sopra, la lunghezza della parola della sequenza PWM è di 16 bit, pertanto, per visualizzare un livello (gradazione) di luminosità su una linea di 16 LED, è necessario trasferire un pacchetto di dati di 16 x 16 = 256 bit di informazioni ai registri, che corrisponde condizionatamente a una pagina dello spazio EEPROM degli indirizzi. Pertanto, un ciclo completo di aumento e diminuzione della luminosità occupa 32 pagine di spazio di indirizzi o 8K, di cui le prime 16 pagine (4K) sono un semiciclo di luminosità crescente e la seconda metà, anch'essa 16 pagine (anche 4K in volume). ) è un semiciclo di luminosità decrescente, contando rispetto al primo canale.

Il fronte negativo di ciascun impulso positivo proveniente dall'uscita 2 (pin 4) del contatore DD6.1 aumenta di uno lo stato del contatore DD6.2 e, quindi, collega il suo ingresso decimale all'uscita del multiplexer DD9, corrispondente a l'equivalente binario del codice, che, a sua volta, è collegato all'uscita del bit di dati corrispondente dell'EEPROM IC DD8. Dopo aver scritto 16 bit di dati nei registri buffer dell'IC DD11, DD12, DD14, DD16 tramite il fronte di discesa (fronte positivo) dell'impulso negativo generato all'uscita dell'elemento DD7.2, il contenuto dei registri buffer del Gli IC DD11, DD12, DD14, DD16 vengono riscritti nei registri di uscita corrispondenti. Sulle linee LED HL7...HL22 e HL23...HL38 è fissata una nuova combinazione. Ma esattamente sedici pacchetti da 16 bit corrispondono al valore di luminosità totale (integrato), cioè 16 x 16 = 256 bit di dati trasferiti ai registri tramite le linee seriali, come notato sopra.

Le variazioni dei livelli di luminosità (gradazioni) sono indicate da una linea di LED HL1...HL4, che visualizza lo stato del contatore DD3.2 in codice binario. Come si può vedere dallo schema elettrico (Fig. 2), gli impulsi di conteggio all'ingresso DD3.2 provengono dall'uscita DD2.2 dopo aver diviso per otto utilizzando il contatore DD2.1. Questa divisione della frequenza degli impulsi di uscita DD2.2 è necessaria per un aumento della luminosità più lento di quanto si potrebbe ottenere senza dividere la frequenza utilizzando il contatore DD2.1.

I contatori DD3.2 e DD5.1 ​​indirizzano la prima metà dello spazio dell'EEPROM IC DD8 nello stato zero del contatore DD5.2 e la seconda metà dello spazio degli indirizzi dell'EEPROM IC DD8 nello stato singolo di questo contatore. La modalità di selezione degli effetti luminosi - manuale o automatica - viene impostata tramite l'interruttore SA1. Nella posizione mostrata nel diagramma gli effetti si alternano automaticamente dopo quattro ripetizioni. Ciò si ottiene applicando impulsi di conteggio dall'uscita della terza cifra DD5.1 ​​​​(pin 5) all'ingresso del contatore DD5.2. Nella posizione inferiore dell'interruttore SA1, secondo lo schema, brevi impulsi positivi vengono inviati all'ingresso del contatore DD5.2 quando si preme il pulsante SB1. Gli stati dei contatori DD5.1 ​​e DD5.2 sono indicati rispettivamente dai LED giallo (HL5) e rosso (HL6).

Costruzione e dettagli. Il controller principale è assemblato su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia con dimensioni di 140 x 90 mm e uno spessore di 1,5 mm (Fig. 4), e i registri di uscita (Fig. 5) sono 90 x 30 mm ( Figura 6). Il dispositivo utilizza resistori costanti di tipo MLT-0,125, trimmer - SP3-38b, condensatori non polari (C1...C3, C8...C10, C12...C14) di tipo K10-17, condensatori all'ossido (C4 ...C7, C11, C15) - K50-35 o importati. Sulla scheda del controller principale sono presenti LED super luminosi con un diametro di 3 mm (HL1...HL6) e un diametro di 5 mm (HL7...HL22), e nella ghirlanda remota sono presenti LED super luminosi di quattro colori KIPM-15 con un diametro di 10 mm, disposti in sequenza alternata.

Data la differenza nella caduta di tensione tra i LED polarizzati direttamente (per rosso e giallo questo valore è 2,1 V e per blu e verde - 3,0 V), è necessario collegare i resistori di limitazione appropriati in serie con i LED: 220 e 150 Ohm. Per controllare un carico potente, i registri di uscita devono essere integrati con interruttori a transistor o triac. Al posto della EEPROM tipo AT28C16-15PI è possibile utilizzare direttamente un chip di memoria del tipo RPZU KR573RF2 o KR573RF5 senza modificare la struttura del circuito stampato.

I contatori del tipo KR1564 IE23 (74HC 4520N) possono essere sostituiti con K561 IE10 (CD4520AN), ad eccezione dei circuiti integrati DD3, DD5, le cui uscite sono collegate a LED indicatori. Il multiplexer DD9 tipo KR1564 KP7 (74HC 151) sostituirà KR1564 KP15 (74HC 251). La linea di collegamento con lunghezza fino a 10 m è realizzata con un fascio di 4 conduttori cordati con sezione di 0,35 mm2 (per linee di segnale) e 1 mm2 (filo “comune”) in isolamento, e con una lunghezza di 10 m fino a 100 m, le linee di segnale devono essere realizzate in doppini intrecciati separati e installare condensatori di integrazione con una capacità non superiore a 150 pF sulle schede dei registri di uscita.

Preparare per il funzionamento un dispositivo assemblato con parti riparabili e senza errori consiste nel scrivere il firmware nell'IC EEPROM (EPROM) utilizzando un programmatore standard. In questo caso, è necessario riassegnare a livello di codice l'ordine delle linee di indirizzo dell'IC EEPROM selezionando l'opzione appropriata nel programma. Prima di programmare il chip EEPROM, il file di testo del programma (vedi tabella) deve essere convertito in formato binario utilizzando uno dei programmi di conversione liberamente distribuiti, ad esempio [5]. È possibile selezionare la velocità desiderata di riproduzione degli effetti di luce dinamici utilizzando il resistore di trimming R3 sulla scheda controller principale.

fonti

1. Odinets AL "SDS programmabile a 16 canali e simulatore virtuale". - "Elettricista", 2008, n. 4, pag. 72-75, n. 5, pag. 76-79.
2. Odinets A. L. "Dispositivo di luce dinamica programmabile autonomo a 32 canali con interfaccia seriale." - "Radioamator", 2005, n. 6, pp. 20-23., n. 7, pp. 22-23.
3. Odinets A. L. "Dispositivo di luce dinamica programmabile autonomo a 32 canali con interfaccia seriale." (Versione modernizzata.) - "Elettricista", 2008, n. 11-12, pp. 76-79., 2009, n. 1-2, pp. 44-48.
4. Dynamic-Lights.narod.ru/LightEffectsReader.rar
5. winhex.com

Autore: Odinets A.L.

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