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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Dispositivo autonomo di illuminazione dinamica programmabile a 32 canali con interfaccia seriale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / illuminazione I dispositivi dinamici della luce (SDU) sono ampiamente utilizzati per la progettazione estetica di bar, discoteche, casinò, illuminazione per le vacanze, nell'elettronica automobilistica (per il controllo delle "luci" dei segnali di stop e per l'organizzazione di pubblicità illuminata. Le SDU con algoritmi programmabili consentono di implementare un'ampia varietà di effetti dinamici della luce e di controllare un gran numero di elementi luminosi in base al programma. Un tale dispositivo può essere implementato, ad esempio, su un microcontrollore e più registri, come circuiti di interfaccia, per controllare un insieme di elementi luminosi. Ma, nonostante la semplicità delle soluzioni circuitali, la produzione di tali dispositivi nelle condizioni di un laboratorio di radioamatori è limitata, a causa dell'inevitabile utilizzo di un costoso programmatore o computer. D'altra parte, l'utilizzo di comuni microcircuiti logici standard consente di realizzare un dispositivo a luce dinamica multicanale completamente autonomo con un programmatore integrato, che non richiede l'utilizzo di alcun programmatore aggiuntivo in generale, né di un computer in particolare. Ciò consente di riprogrammare una serie di effetti luminosi dinamici in pochi minuti in modalità completamente offline. L'uso di un'interfaccia seriale implementata in questo dispositivo consente di controllare contemporaneamente e in modo sincrono più ghirlande di elementi luminosi tramite tre linee di segnale (senza contare il filo comune), la cui lunghezza totale può raggiungere i 100 m.
Panoramica Il CDS autonomo programmabile a 32 canali è una versione migliorata del dispositivo pubblicato in [1] e consente di controllare indipendentemente ciascuno dei 32 elementi luminosi della ghirlanda tramite 3 linee di collegamento dell'interfaccia seriale. La versione aggiornata del dispositivo tiene conto di tutte le caratteristiche del funzionamento del controller su linee non coordinate di grande lunghezza. Questa costruzione della SDU consente di aumentare il numero di elementi con costi hardware minimi senza aumentare il cablaggio e posizionare la ghirlanda a grande distanza dalla scheda del controller principale. La varietà di effetti di luce dinamici è illimitata e dipende dall'immaginazione dell'utente. Questa architettura ha il potenziale per aumentare il numero di elementi luminosi senza un cambiamento significativo nel protocollo dell'interfaccia seriale. (Questo sarà discusso di seguito). Nella stragrande maggioranza dei progetti di dispositivi dinamici della luce, ogni elemento luminoso è controllato dalla sua connessione diretta utilizzando un conduttore di segnale separato alla scheda del controller principale. Ma, di regola, tali dispositivi consentono di controllare solo un piccolo numero di elementi [2]. L'aumento del loro numero richiede l'uso di chip di memoria aggiuntivi e un corrispondente aumento del cablaggio. Ciò porta a una complicazione significativa sia del circuito che del codice di programma richiesto per "lampeggiare" diversi chip di memoria. Inoltre, in questa versione è impossibile controllare un insieme di elementi luminosi che si trovano a notevole distanza dalla scheda del controller principale. La pratica di ripetere dispositivi dinamici della luce, ad esempio [2], mostra che il firmware pubblicato, sfortunatamente, è tutt'altro che perfetto e contiene errori grossolani. Ma l'utente si aspetta che il risultato del dispositivo ottenga esattamente un effetto visivo estetico. Pertanto, un tale approccio allo sviluppo del codice di programma scoraggia completamente il desiderio di ripetere dispositivi dinamici della luce programmabili, nonostante l'ampia varietà di effetti implementati dal software. Il dispositivo proposto non presenta questo inconveniente, e prima di memorizzare la combinazione di luce dinamica corrente in memoria, viene visualizzato sulla linea di controllo dei LED, il che consente di eliminare completamente eventuali errori che possono essere commessi dall'utente nel processo di programmazione . La soluzione al problema di aumentare il numero e controllare un insieme di elementi luminosi posti a grande distanza dalla scheda principale del controller è l'utilizzo di un'interfaccia seriale tra la scheda principale e una ghirlanda composta da registri, gli elementi luminosi sono collegati direttamente alle uscite di cui. In un tale dispositivo, il trasferimento dei dati ai registri di uscita viene effettuato per un brevissimo periodo di tempo con una frequenza di clock di circa 12,5 kHz (con una frequenza di clock del generatore RF di 100 kHz). I pacchetti di dati si susseguono con una frequenza di circa 10 Hz, il che porta a un cambiamento nelle combinazioni di luce dinamiche. Poiché il tempo di aggiornamento dei dati nei registri è molto breve: 80 μs x 32 impulsi = 2,56 ms, il cambio delle combinazioni è visivamente impercettibile, il che crea l'effetto della loro riproduzione continua. La linea è realizzata con un fascio di 4 trefoli, di cui un filo "comune", con una lunghezza della linea fino a 10 metri, e un fascio di 7 trefoli, con una lunghezza da 10 a 100 metri. Nel secondo caso, ciascun conduttore di segnale ("Dati", "Sincronizzazione", "Abilitazione indicazione") è realizzato come un "doppino incrociato", il cui secondo conduttore è collegato a terra su entrambi i lati della linea, e, successivamente, tutti i conduttori sono combinati in un unico fascio. Come è noto, le riflessioni multiple del segnale che si verificano in lunghe linee disallineate, così come l'interazione di interferenza di due linee di segnale incluse in un fascio, in determinate condizioni, possono portare a errori nella trasmissione dei dati, che nel caso di un sistema di illuminazione dinamico significa una violazione dell'effetto estetico. Ciò impone restrizioni sulla lunghezza della linea di collegamento e impone requisiti rigorosi sull'immunità ai disturbi di un sistema che utilizza un'interfaccia seriale.
L'immunità ai disturbi di un sistema che utilizza un'interfaccia seriale dipende da molti fattori: la frequenza e la forma degli impulsi del segnale trasmesso, il tempo tra le variazioni dei livelli (duty cycle) degli impulsi, la capacità specifica dei conduttori di linea inclusi nel fascio, la resistenza di linea equivalente, nonché l'impedenza di ingresso dei ricevitori di segnale e dei driver di impedenza di uscita. È noto che il principale criterio di immunità al rumore è il valore della tensione di commutazione di soglia degli elementi logici [3]. La tensione di commutazione di soglia dell'elemento logico invertente è considerata un valore tale per cui l'uscita dell'elemento è impostata ad una tensione uguale all'ingresso. Per i microcircuiti TTL (serie K155), questo valore è di circa 1,1 V con una tensione di alimentazione tipica di 5 V [3]. L'uso di tali microcircuiti in dispositivi per la trasmissione e la ricezione di dati su lunghe linee non coordinate non consente di ottenere un'immunità al rumore accettabile anche quando si opera su una linea corta (5 m). Il fatto è che molteplici riflessioni di segnale, la cui ampiezza supera anche di poco il valore della tensione di soglia di commutazione degli elementi logici (1,1 V), portano a commutazioni multiple dei registri di uscita, e quindi ad errori di trasmissione dei dati. L'uso di circuiti integrati con struttura TTLSH più avanzati (serie KR1533) non risolve il problema, poiché la loro tensione di soglia non è molto più alta ed è solo 1,52 V con una tensione di alimentazione standard [3]. Per compensare parzialmente il segnale riflesso vengono spesso utilizzati filtri RC ordinari (le cosiddette catene integrative), ma essi stessi introducono distorsioni nel segnale trasmesso, aumentando artificialmente i tempi di salita e discesa dei fronti del segnale. Pertanto, questo metodo è inefficiente e, in definitiva, porta solo ad un aumento della capacità parassita totale della linea, che crea un carico aggiuntivo sui chip traslatori di segnali sul lato trasmittente della linea. C'è un altro problema associato all'uso dei filtri RC. Con l'aumentare dei tempi di salita e di discesa dei fronti di segnale, aumenta anche il tempo di "stay" del segnale di controllo vicino al livello di soglia "pericoloso" della tensione di commutazione dell'elemento logico, che, a sua volta, porta ad un aumento nella probabilità di falsa commutazione del registro di uscita sotto l'azione del segnale di rumore. Nel caso di utilizzo di microcircuiti della struttura CMOS della serie KR1564, le caratteristiche di trasferimento simmetriche forniscono l'immunità al rumore al livello del 45% della tensione di alimentazione, che è vicina al valore ideale (50%) e l'immunità al rumore del sistema aumenta all'aumentare della tensione di alimentazione, poiché l'ampiezza del segnale trasmesso aumenta.
La moderna base di elementi - microcircuiti CMOS ad alta velocità con elevata capacità di carico e massima immunità al rumore (la loro tensione di commutazione della soglia è quasi uguale alla metà della tensione di alimentazione) - consente di costruire una SDU con un'interfaccia seriale, la lunghezza delle linee di collegamento di cui, tenendo conto delle sezioni di collegamento dei registri della ghirlanda remota, può raggiungere i 100 m anche utilizzando un cavo twistato convenzionale (niente conduttori schermati!). Inoltre, vengono utilizzati potenti elementi buffer con trigger Schmitt del tipo KR1554TL2 per tradurre i segnali nella linea, la cui elevata capacità di carico consente il controllo diretto del carico capacitivo.
Gli effetti di lunghe linee non corrispondenti iniziano a manifestarsi quando i tempi di ritardo di propagazione del segnale lungo la linea e all'indietro iniziano a superare la durata dei fronti di salita e discesa del segnale. Qualsiasi discrepanza tra l'impedenza di linea equivalente e l'impedenza di ingresso della porta logica sul lato ricevente della linea o l'impedenza di uscita del driver sul lato di trasmissione risulterà in riflessioni multiple del segnale. I tempi tipici di salita e discesa per i microcircuiti della serie KR1564 sono inferiori a 5 ns, quindi gli effetti di lunghe linee non corrispondenti iniziano a manifestarsi a una lunghezza della linea di diverse decine di centimetri. Conoscendo le caratteristiche della linea di trasmissione, come la capacità totale di ingresso e la capacità specifica per unità di lunghezza, è possibile calcolare il tempo di ritardo di propagazione del segnale lungo l'intera lunghezza della linea. Un tipico tempo di ritardo di propagazione è tipicamente di 5-10 ns/m. Se la lunghezza della linea di collegamento è sufficientemente lunga e i tempi di salita e discesa del segnale sono sufficientemente brevi (cioè la pendenza è elevata), la mancata corrispondenza tra la resistenza di linea equivalente e la resistenza di ingresso dell'elemento logico CMOS alla ricezione lato crea una riflessione del segnale, la cui ampiezza dipende dal valore istantaneo della tensione applicata all'ingresso dell'elemento, e il coefficiente di riflessione, che, a sua volta, dipende dalla resistenza di linea equivalente e dalla resistenza di ingresso della logica di ingresso elemento. Poiché l'impedenza di ingresso degli elementi dei microcircuiti della serie KR1564 è molte volte maggiore della resistenza equivalente di una linea composta da un doppino intrecciato o da un conduttore schermato, la tensione riflessa all'ingresso del ricevitore raddoppia. Questo segnale riflesso si propaga lungo la linea fino al trasmettitore, dove viene riflesso di nuovo, e il processo viene ripetuto fino a quando il segnale non viene completamente attenuato. Il vantaggio dei microcircuiti CMOS, dovuto alla loro elevata capacità di carico (serie KR1554), è la capacità di controllare direttamente un carico capacitivo. Le caratteristiche di trasferimento corrente-tensione bilanciate (simmetriche) degli elementi di questi microcircuiti consentono di ottenere quasi gli stessi tempi di salita e discesa. Inoltre, per trasmettere segnali alla linea e ricevere, è possibile utilizzare elementi buffer basati su trigger di Schmitt, che ripristinano una forma rigorosamente rettangolare di un segnale distorto ed escludono quindi falsi trigger di registri. Inoltre, la presenza di isteresi nella caratteristica di trasferimento (con una tensione di alimentazione di 5 V per il circuito integrato KR1564TL2, questo valore è di circa 400 mV) crea un ulteriore margine di immunità al rumore [3]. Diagramma schematico Il dispositivo contiene due registri collegati in parallelo. Uno di questi è un controllo installato sulla scheda principale del dispositivo. I LED sono collegati alle uscite dei suoi microcircuiti (DD18 - DD21), che vengono utilizzati per monitorare visivamente il processo di programmazione. Il secondo - il registro di uscita (DD23, DD25, DD27, DD29) - è il controllo per la stringa di elementi remoti. Entrambi i registri funzionano in modo sincrono, ma solo il primo di essi partecipa al processo di programmazione. Il controllo del registro di uscita, quindi, ed il caricamento dei dati in esso, avviene tramite le linee di segnale dell'interfaccia seriale: "Dati", "Sincronizzazione" e "Abilitazione indicazione". La terza linea è ausiliaria, questo segnale disattiva brevemente le uscite IC di tutti i registri per la durata del caricamento della combinazione corrente, eliminando l'effetto sfarfallio dei LED a bassa risposta. Così, la ghirlanda di elementi remoti è collegata alla scheda principale del dispositivo (senza contare le schermature (necessari solo per lunghezze di linea superiori a 10 m) che costituiscono una coppia per ogni conduttore di segnale) con soli quattro fili: "Dati ", "Sincronizzazione", "Risoluzione display" e " Generali". Grazie all'utilizzo di un'interfaccia seriale, una tale costruzione del dispositivo consente di aumentare il numero di elementi luminosi con costi hardware minimi senza complicare in modo significativo il protocollo. Il loro numero massimo è limitato solo dall'immunità ai disturbi della linea di comunicazione e dalla capacità di carico del generatore. Con i valori specificati degli elementi di temporizzazione C4R12 del generatore di clock RF montato sugli elementi DD3.3, DD3.4, e impostando il trimmer resistore motore R13 nella posizione corrispondente alla resistenza massima (che corrisponde alla frequenza del generatore RF FT \u20d 100 KHz) e l'esecuzione di linee di conduttori di segnale con doppini intrecciati, la sua lunghezza può raggiungere i XNUMX metri. Il dispositivo utilizza una memoria non volatile IC con cancellazione elettrica (EEPROM) con una capacità di 16 Kbps (16384 bit) del tipo AT28C16-15PI. La quantità di memoria corrispondente a una combinazione è di 32 bit. Il ciclo completo della formazione di un effetto di luce dinamico, ad esempio "fuoco acceso" è composto da 32 combinazioni. Pertanto, la quantità di memoria occupata da tale effetto è 32x32=1024 bit, quindi il numero massimo di effetti di questo tipo che possono essere scritti contemporaneamente in EEPROM è 16384/1024=16. Va tenuto presente che questo effetto è il più dispendioso in termini di risorse, quindi il numero reale di effetti di luce dinamici che occupano meno spazio di indirizzi EEPROM può essere molto maggiore. Per ottenere ancora più effetti, a parità di elementi della ghirlanda, la quantità di memoria può essere aumentata, ad esempio, fino a 64 Kb sostituendo il chip EEPROM con un AT28C64-15PI e aumentando la profondità di bit del contatore di indirizzi . Il processo di programmazione è abbastanza semplice e conveniente: si effettua premendo in successione tre pulsanti. La combinazione degli elementi emettitori di luce viene impostata premendo in successione due pulsanti: SB1 - "Registra "0" e SB2 - "Registra "1", che corrispondono all'inserimento di led di accensione e spegnimento sulla linea. L'immissione di "zero" corrisponde esattamente al led acceso, in quanto tale livello compare all'uscita corrispondente del registro. La combinazione di LED scritta nei registri viene spostata a destra di una cifra subito dopo la successiva pressione di uno qualsiasi dei pulsanti indicati. La combinazione generata viene registrata nella EEPROM premendo una sola volta il pulsante SB3 - "Salvataggio della combinazione". In questo caso viene generata automaticamente una sequenza di impulsi in cui lo stato attuale del registro di controllo viene scritto nella EEPROM. Va sottolineato che un tale algoritmo di programmazione consente di eliminare completamente eventuali errori che possono essere commessi dall'utente durante il processo di programmazione, non essendo necessario premere il pulsante SB3 subito dopo aver inserito la combinazione sulla barra di controllo, e solo dopo essersi accertati che utilizzando i pulsanti SB1 e SB2 sia stata inserita la corretta combinazione - premere SB3. Come funziona Lo schema elettrico di una SDU autonoma programmabile a 32 canali è mostrato in fig. 1. Lo schema mostra chiaramente il collegamento di un registro di uscita, composto da 8 microcircuiti, utilizzando tre conduttori di segnale della linea di collegamento. Possono esserci diversi registri di uscita di questo tipo, che, se collegati in parallelo, funzioneranno in modo sincrono. Nella linea di collegamento è compreso anche un conduttore comune (non mostrato nello schema) che collega il registro di uscita e il filo comune della scheda di controllo principale e deve essere realizzato con un trefolo di sezione almeno 1 mm2. Il dispositivo può funzionare in due modalità: programmazione e lettura. (Il diagramma mostra la posizione dell'interruttore SA1 corrispondente alla modalità di riproduzione). La modalità di programmazione è impostata nella posizione inferiore (secondo lo schema) dell'interruttore SA1. Questa modalità indica l'inclusione del LED rosso HL2. Allo stesso tempo, il funzionamento del generatore a bassa frequenza di impulsi rettangolari raccolti sugli elementi DD3.1, DD3.2 viene bloccato e si forma un livello logico basso all'uscita dell'elemento DD3.2 (pin 6). La successiva pressione dei pulsanti SB1, SB2 porta alla comparsa di livelli logici "0" alle uscite "1Q" o "2Q" del chip DD2, che contiene 4 flip-flop RS indipendenti identici. La comparsa di uno qualsiasi di questi livelli alle uscite "1Q" o "2Q", e quindi ad uno degli ingressi dell'elemento DD1.2, porta alla formazione di un impulso positivo alla sua uscita e alla sua successiva limitazione di durata di la catena di differenziazione C2R10. Poiché gli ingressi "S0", "S1" del multiplexer DD14 sono stati impostati su "zeri" logici, le sue uscite riceveranno informazioni dagli ingressi "A0", "B0". In questo caso, quale livello verrà scritto sulla prima cifra dei registri DD18, DD23 dipende dal pulsante premuto SB1 o SB2. Quando si preme SB1, verrà scritto uno zero logico, quando si preme SB2, un'unità logica. Dopo aver introdotto la combinazione nella linea di controllo dei LED HL12-HL43, e quindi nei registri di controllo DD18-DD21, premere il pulsante SB3. Questo avvia un ciclo di scrittura della combinazione corrente nella EEPROM, composto da 4 cicli. In ogni ciclo, il contenuto del registro DD16 viene scritto nel registro buffer DD21, viene sovrascritto in EEPROM, le informazioni contenute nei registri di controllo DD18-DD21 vengono spostate a destra di 8 bit e il contenuto del registro DD21 viene scritto in registrare DD18. Pertanto, al termine del 4° ciclo, il contenuto di tutti e 4 i circuiti integrati del registro di controllo verrà scritto nella EEPROM con un aggiornamento simultaneo del loro stato. Alla pressione del pulsante SB3 viene generato un impulso positivo all'uscita "3Q" del terzo trigger RS dell'IC DD2, di durata pari al tempo di pressione del pulsante. Questo impulso, dopo essere stato invertito dall'elemento DD4.1 e limitato nella durata dalla catena differenziatrice C3R11, porta il 4° flip-flop RS dell'IC DD2 in uno stato unico. L'unità logica dalla sua uscita "4Q" (pin 13) abilita il funzionamento del generatore RF, realizzato sugli elementi DD3.3, DD3.4 e nel contempo vieta l'indicazione della combinazione luce-dinamica attuale contenuta nella registri di controllo e di uscita. Ciò è necessario per eliminare l'effetto sfarfallio dei LED ad azione rapida durante il caricamento di una nuova combinazione. Inoltre, questo livello interessa gli ingressi degli elementi logici DD11.1, DD11.2 e provoca la comparsa dell'ultimo di essi all'uscita del livello logico "1", che interessa l'ingresso "S0" (pin 14) di il multiplexer DD14 e permette il passaggio alle uscite (pin 7 e 9) di informazioni dai rispettivi ingressi "A1", "B1". Poiché al momento dell'accensione il circuito di azzeramento dei contatori DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1 è in funzione, quindi al momento iniziale del primo dei 4 cicli del ciclo di registrazione alle uscite Vengono formati "0" (pin 3) dei contatori DD6, DD7 livelli di unità logica. La caduta negativa del primo impulso di polarità positiva all'ingresso "CP" (pin 13) del contatore DD6 porterà alla comparsa di un'unità logica di livello all'uscita "1" (pin 2), e quindi il livello " 1" all'uscita dell'elemento DD5.2. Questo livello, "passante" per il multiplexer inferiore, secondo lo schema, DD14 e invertito dal trigger di Schmitt DD17.3, interessa gli ingressi di gate "C" (pin 12) dei registri di controllo DD18-DD21 (vedi diagramma in Fig. .2: differenza negativa "CLK1"). Questo livello logico all'uscita dell'elemento DD5.2 rimarrà fino al decadimento del terzo impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6 (vedi diagramma in Fig. 2: caduta positiva (anteriore) "CLK1"). Durante questo periodo di tempo, tra le recessioni del 1° e del 2° impulso, verrà generato un impulso negativo all'uscita dell'inverter DD4.4 (vedi diagramma in Fig. 2: "CLK2"). Questo impulso, dopo aver ripetuto il multiplexer del circuito superiore, che fa parte dell'IC DD15, scriverà nel registro buffer DD16 un bit di informazione dall'uscita "PR" (pin 17) dell'ultimo bit del registro di controllo DD21. Il fronte positivo dell'impulso all'uscita dell'inverter DD4.4 coincide nel tempo con il decadimento del 2° impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6 (vedi diagramma di Fig. 2: fronte "CLK2"). Al declino del 3° impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6, si formerà una caduta positiva ("CLK5.2") all'uscita dell'elemento DD1, che, dopo aver ripetuto il multiplexer IC DD14 inferiore e invertito il trigger di Schmitt DD17.3, registrerà un bit di informazione dall'uscita "PR" dell'ultimo bit del registro di controllo DD21 al primo bit del registro DD18. I potenti trigger Schmitt DD17.1 e DD17.2 (inclusi nell'IC KR1554 TL2) vengono introdotti nel dispositivo per il funzionamento diretto su una linea con carico capacitivo, nonché per impedire al segnale riflesso dalla linea di entrare negli ingressi di i registri di controllo, separando le corrispondenti catene di segnali. La procedura descritta viene ripetuta 8 volte finché il registro buffer DD16 non viene riempito e il contenuto del registro DD21 viene riscritto nel registro DD18. Al completamento dell'8° impulso negativo di sincronizzazione all'ingresso "C" del registro buffer (vedi schema di Fig. 2: fronte "CLK2"), lo stato attuale del registro DD16 verrà completamente riscritto nel registro DD21. Ciò avverrà al declino del 58° impulso all'ingresso "CP" contatore DD6. In questo calo, il contatore DD6 passerà al 3° stato. Poiché a questo punto il contatore DD7 era già nel 7° stato, due segnali del livello di un'unità logica che arrivano agli ingressi dell'elemento DD12.1 faranno apparire un livello logico zero alla sua uscita. Pertanto, all'uscita dell'elemento DD12.1, verrà generato un impulso negativo ("CS", vedi Fig. 2), di durata uguale al periodo di ripetizione dell'impulso del generatore RF realizzato sugli elementi DD3.3, DD3.4 .15. Dopo aver "passato" il multiplexer IC DD0 inferiore, secondo lo schema, (ricordiamo che il livello "zero" impostato dall'interruttore SA1 è impostato al suo ingresso "S15"), questo impulso negativo campiona il chip DD8 EEPROM IC al " CS" ("Chip Select"-"Crystal Select") e, quindi, produce un record parallelo di 16 bit di informazioni generate alle uscite del registro buffer DD0 all'indirizzo impostato agli ingressi A10-A13 della EEPROM DDXNUMX. Il controllo visivo del riempimento dello spazio indirizzi dell'IC EEPROM DD13 viene effettuato da una riga di LED HL3 - HL11, che visualizza l'indirizzo corrente dei contatori binari DD8.1, DD8.2, DD9.1. I primi sei LED HL3-HL9, verdi indicano il riempimento del primo 25% dello spazio indirizzi, giallo HL10 in combinazione con verde - dal 25 al 50%, rosso HL11 in combinazione con giallo e verde - dal 50 al 100%. L'accensione simultanea di tutti i LED in modalità di scrittura indica che l'intero spazio degli indirizzi EEPROM è pieno, ad eccezione delle celle degli ultimi quattro indirizzi. Dopo aver registrato la combinazione dinamica degli ultimi quattro indirizzi, i contatori DD8.1, DD8.2 vengono posti a zero e DD9.1 all'ottavo, a cui si accompagna lo spegnimento dei LED HL3-HL11. Tutte le righe di indirizzo sono impostate su livelli "zero". In questo caso, la registrazione del programma può essere ripetuta. La modalità di lettura si imposta portando l'interruttore SA1 nella posizione superiore, secondo lo schema, che corrisponde all'accensione del LED verde HL1. Il dispositivo può essere commutato in questa modalità in qualsiasi momento senza nemmeno completare la programmazione dell'intero spazio di indirizzi EEPROM. In questo caso, il programma registrato in precedenza agli indirizzi verrà riprodotto dall'indirizzo corrente fino alla fine dello spazio indirizzi, quindi il ciclo di riproduzione del programma continuerà a partire dall'indirizzo zero della EEPROM. Se la modalità di lettura è impostata prima dell'accensione, il circuito di reset montato sugli elementi C6R15, DD1.3, DD1.4, DD5.1 imposterà i contatori DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1. 1 a zero. In questa modalità, il livello dell'unità logica da sinistra, secondo lo schema, l'uscita dell'interruttore SA3.1 consentirà il funzionamento del generatore di bassa frequenza, realizzato sugli elementi DD3.2, DD10 con una frequenza di circa 3.2 Hz. Impulsi di polarità positiva provenienti dall'uscita dell'elemento DD4.1, dopo essere stati invertiti dall'elemento DD3 e aver limitato la durata dal circuito di differenziazione C11R4, faranno sì che il 2° flip-flop RS dell'IC DD6 venga impostato su un valore unico stato. In questa modalità, il declino del primo impulso positivo all'ingresso "CP" del contatore DD10.1 imposterà quest'ultimo in un unico stato, che porterà al passaggio allo stato zero dell'elemento DDXNUMX. Il livello di zero logico dalla sua uscita, essendo invertito dall'elemento DD10.2, influenza l'ingresso dell'elemento DD11.4 e, insieme al livello di "uno" che arriva al secondo ingresso di questo elemento, imposta anche il livello "1" alla sua uscita. Questo livello farà sì che le uscite del registro buffer DD16 passino al terzo stato - ora sono diventate ingressi (vedi diagramma in Fig. 2: "SL" anteriore). Al declino del secondo impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6 alla sua uscita "2" (pin 4) c'è un livello logico "1", che traduce l'elemento DD5.3 in un unico stato. Un livello di unità dalla sua uscita influenza l'ingresso dell'elemento DD12.3 e, in combinazione con il livello di un'unità logica che arriva al secondo ingresso di questo elemento, imposterà un livello logico zero alla sua uscita. Questo livello logico, agendo sull'ingresso "OE" ("Output Enable" - "Enable Outputs") della EEPROM IC DD13, porta le sue uscite allo stato attivo (vedi diagramma in Fig. 2: declino "OE") , oltre a "passare" per il multiplexer DD15 inferiore, secondo lo schema, (poiché il suo ingresso "S0" è ora impostato a livello "1"), porta alla selezione della EEPROM IC DD13, all'ingresso " CS". Alle uscite "D0" - "D7" della EEPROM, il dato appare scritto all'indirizzo correntemente impostato agli ingressi di indirizzo "A0" - "A10". Allo stesso tempo, al declino del secondo impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6, inizia la formazione di un impulso negativo di scrittura parallela nel registro buffer DD16 (vedi diagramma in Fig. 2: il primo declino " CLK2"). Questo impulso viene generato all'uscita dell'elemento DD11.3 all'inizio di ciascuno dei 4 cicli del ciclo di lettura, ovvero prima della formazione di ciascuno degli 8 impulsi di clock ("CLK1") dei registri di controllo e di uscita. La formazione di un impulso di scrittura parallelo al registro buffer DD16 (vedi diagramma di Fig. 2: il primo fronte di "CLK2") sarà completata dal decadimento del terzo impulso all'ingresso del contatore "CP" DD6. Al declino del quarto impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6, l'elemento DD12.3 passerà allo stato di unità logica, che a sua volta trasferirà le uscite dell'IC EEPROM DD13 alla terza (alta -resistenza) (vedi diagramma in Fig. 2: frontale "OE"). La caduta del quinto impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6 porterà le uscite del registro buffer DD16 allo stato attivo (vedi diagramma in Fig. 2: declino "SL"). La separazione nel tempo dei momenti di accensione e spegnimento degli stadi di uscita del registro buffer DD16 ed EEPROM DD13 è necessaria per il corretto funzionamento coordinato degli stadi di uscita di questi microcircuiti. Come si evince dal diagramma temporale della modalità di lettura (vedi Fig. 2), dapprima vengono spente le uscite "D0" - "D7" della EEPROM DD13, quindi, dopo 1 ciclo del generatore RF, le uscite "1" - "8" del registro buffer sono attivati su DD16. Dopo altri 2 cicli, le uscite DD16 vengono disattivate e, dopo un altro 1 ciclo, - ora le uscite DD13 vengono attivate. Al decremento del 6° impulso all'ingresso "CP" del contatore DD6 inizia la contemporanea formazione di impulsi di lettura ("CLK2") del registro buffer DD16 e scrittura ("CLK1") ai registri di controllo DD18-DD21 . La formazione dell'impulso di scrittura (vedi diagramma in Fig. 2: il frontale "CLK1") nei registri DD18-DD21 terminerà 1 ciclo prima della fine della formazione dell'impulso di lettura (vedi diagramma in Fig. 2: il secondo fronte "CLK2") del registro buffer DD16. Di conseguenza, il contenuto del registro buffer DD16 verrà riscritto nel registro DD18 e il contenuto di quest'ultimo verrà riscritto in sequenza nel registro DD19 e così via. Al termine del ciclo di lettura della combinazione di corrente si forma una caduta negativa all'uscita "2" (pin 4) del contatore DD8.1 che, dopo aver limitato la durata mediante la catena RC differenziante C5R14 ed invertendo dal DD1.3 .6, porta all'azzeramento dei contatori DD7, DD4 e all'azzeramento del 2° flip-flop RS IC DD3.3. Un livello logico basso dalla sua uscita porta a bloccare il funzionamento del generatore RF montato sugli elementi DD3.4, DD3.4. L'uscita dell'elemento DD4 è impostata su un livello costante di zero logico. Allo stesso tempo, il livello di "zero", dall'uscita "13Q" (pin 2) del quarto flip-flop RS DD18, commuta le uscite del controllo DD21-DD23 e l'uscita DD25, DD27, DD29 , DDXNUMX si registra allo stato attivo e consente l'indicazione della combinazione luce-dinamica attuale. In questo caso verrà fissata una combinazione di codici alle uscite dei registri e, fino al momento della successiva caduta di impulso positivo all'uscita del generatore di bassa frequenza, verrà visualizzata sulla riga dei LED. COSTRUZIONE E DETTAGLI. Il controller principale è assemblato su un circuito stampato di dimensioni 100x150 mm (Fig. 3), e i registri di uscita sono 25x80 mm (Fig. 4) realizzati in lamina di fibra di vetro di 1,5 mm di spessore con metallizzazione double-face. I disegni PCB sono stati sviluppati per il disegno a mano libera, il che dovrebbe renderli più facili da produrre in un laboratorio di radioamatori. I collegamenti mostrati con una linea tratteggiata sono realizzati con un sottile isolamento a trefoli. Il dispositivo utilizza resistori fissi del tipo MLT-0,125, variabili - SP3-38b, condensatori K10-17 (C1-C6, C8), K50-35 (C7, C9-C16); LED - superluminosi, a quattro colori, sulla scheda del controller principale - 3 mm di diametro e in una ghirlanda remota - tipo KIPM-10 da 15 mm, disposti in sequenza alternata. Naturalmente sono possibili anche altre combinazioni di elementi emettitori di luce. Per controllare un carico più potente, ad esempio lampade a incandescenza o ghirlande di LED collegati in parallelo, i registri di uscita devono essere integrati con interruttori a transistor o triac. Il diodo di protezione VD1 e il disaccoppiamento (VD2, VD3) possono essere qualsiasi silicio di media potenza. I pulsanti SB1-SB3, tipo KM1-1, e un interruttore, tipo MT-1, sono saldati direttamente sulla scheda del controller. Per loro sono previsti fori della configurazione corrispondente. I microcircuiti del registro di uscita (DD22-DD29, vedi Fig. 5), che controllano la ghirlanda remota di elementi luminosi, come notato sopra, sono collegati alla scheda del controller principale con doppini intrecciati. La loro inclusione (tenendo conto di ulteriori trigger di Schmitt invertenti) è simile all'IC DD18-DD21 del registro di controllo (vedi Fig. 1), ma i dati dall'uscita di trasferimento "PR" dell'ultimo IC DD29 del registro di uscita sono non utilizzato, poiché il registro di uscita funziona solo in modalità di ricezione (scaricamento ma non lettura) delle informazioni. La ghirlanda remota di elementi luminosi, così come il controller principale, è alimentata da una sorgente separata stabilizzata a 12 V. La corrente consumata dal dispositivo non supera i 600 mA (questo è il valore di picco quando tutti i LED sono accesi contemporaneamente ), e quando si utilizza il circuito integrato KR1533IR24, non supera 750 mA . Pertanto, l'alimentatore deve avere una capacità di carico adeguata. Si consiglia di utilizzare un alimentatore con una corrente di carico minima di almeno 1 A, soprattutto per alimentare i registri di uscita (remoti). Ciò ridurrà l'ampiezza del segnale di interferenza indotto attraverso il circuito di alimentazione ai circuiti di segnale dei microcircuiti di registro. Come accennato in precedenza, i dati nel registro di uscita (DD23, DD25, DD27, DD29) vengono trasmessi tramite le linee di segnale dell'interfaccia seriale: "Dati" e "Sincronizzazione". Va notato che gli elementi del microcircuito KR1554 TL2 (74AC14), e non il KR1564 TL2 (74HC14), sono utilizzati come traduttori di buffer sulla scheda del controller principale, poiché solo il primo di essi è in grado di fornire una grande corrente di uscita (fino a 24 mA) e controllare direttamente il carico capacitivo. Con una linea corta (fino a 10 m), la frequenza degli impulsi di clock è impostata al massimo (100 kHz) e il cursore del resistore di trimming R13 è impostato sulla posizione corrispondente alla resistenza minima. Con un aumento significativo della lunghezza della linea (oltre 10 m), aumenta l'ampiezza del segnale di disturbo indotto nelle linee di segnale dai conduttori adiacenti. Se l'ampiezza dell'interferenza supera la soglia di tensione di commutazione dell'ingresso Schmitt attiva (tenendo conto dell'isteresi), può verificarsi un'interruzione della comunicazione. Per evitare una situazione del genere, quando il controller opera su una linea relativamente lunga (da 10 a 100 m), potrebbe essere necessario ridurre leggermente la frequenza del generatore RF con resistore R13. In questo caso, la velocità di caricamento delle combinazioni luce-dinamica diminuirà, ma non ci sarà alcuna differenza visiva nel funzionamento del dispositivo, poiché l'effetto dello sfarfallio del LED è completamente mascherato dal segnale "Indicazione abilitata". Anche con la frequenza più bassa possibile del generatore RF (20 kHz), il tempo di aggiornamento massimo della combinazione di luce dinamica sarà di 400 µs x 32 impulsi = 12800 µs (12,8 ms), che corrisponde a una frequenza di aggiornamento di circa 78 Hz. Questa frequenza è vicina al valore ergonomico di 85 Hz. I registri DD16, DD18-DD21 di tipo KR1564IR24 (analogo diretto del 74HC299) utilizzati sulla scheda di controllo principale possono essere sostituiti da KR1554IR24 (74AC299) e, in casi estremi, KR1533IR24. Poiché i microcircuiti KR1533IR24 (SN74ALS299) sono della struttura TTLSH e consumano una corrente abbastanza grande anche in modalità statica (circa 35 mA), si consiglia di utilizzare microcircuiti CMOS del tipo KR1564IR24 (74HC299) nei registri remoti (uscita). Sulla scheda del controller principale è possibile utilizzare registri di qualsiasi serie KR1554, KR1564 o KR1533. Se non è presente la EEPROM AT28C16-15PI, è possibile utilizzare la RAM di tipo statico KR537RU10 (RU25). In questo caso, se è necessaria la memorizzazione a lungo termine del programma di controllo, è necessario utilizzare un alimentatore di backup con una tensione di 3V, composto da due elementi del tipo LR03 (AAA), che viene acceso tramite un diodo disaccoppiante al germanio del tipo D9B, come mostrato in [1]. Lo stabilizzatore integrato DA1 (KR142EN5B), con i resistori limitatori di corrente R17-R59 indicati nello schema, non necessita di radiatore, ma se non sono disponibili LED super luminosi è possibile utilizzare una normale luminosità standard. Allo stesso tempo, i valori delle resistenze R17-R59 devono essere ridotti da tre a quattro volte e lo stabilizzatore deve essere installato su un radiatore con un'area di almeno 100 cm2. La tensione di alimentazione sia della scheda di controllo principale che dei registri di uscita è selezionabile nell'intervallo 9-15V, ma all'aumentare si ricorda che la potenza dissipata sui circuiti integrati stabilizzatori aumenta proporzionalmente alla tensione che grava su di essi . La frequenza di commutazione delle combinazioni luce-dinamiche può essere modificata regolando il resistore R9 e la velocità di download, quando si lavora su linee molto lunghe, è R13. Tecnica di programmazione La preparazione del dispositivo al funzionamento consiste nell'inserimento di combinazioni di luci dinamiche nella memoria EEPROM tramite i pulsanti SB1-SB3. È anche possibile un'opzione alternativa: scrivere un programma di controllo generato, ad esempio, secondo il metodo descritto in [4], utilizzando un programmatore standard, e quindi installare la EEPROM IC in una presa pre-saldata sulla scheda del dispositivo. Ad esempio, considera la programmazione dell'effetto "fuoco in corsa". Assumiamo che l'alimentazione sia stata spenta prima dell'inizio della programmazione. Esempio 1. Effetto "Fuoco in corsa". Accendi la corrente. I LED HL3-HL11 non dovrebbero accendersi (metri DD8.1, DD8.2, DD9.1 - nello stato zero). La modalità di programmazione è indicata dal LED rosso HL2. Premere una volta il pulsante SB1. Controllare l'attivazione del LED HL12. Premere una volta il pulsante SB3. (Questo registrerà la combinazione corrente con un aggiornamento simultaneo del contenuto dei registri di controllo DD18-DD21). Premere una volta il pulsante SB2. Controlla l'estinzione del LED HL12 e l'inclusione di HL13. Premere una volta il pulsante SB3. Premere una volta il pulsante SB2. Controlla l'estinzione del LED HL13 e l'inclusione di HL14. Premere una volta il pulsante SB3. Ripetere finché il LED illuminato non passa attraverso tutte le posizioni. In fase di programmazione, la pressione del pulsante SB3 è accompagnata da una modifica delle combinazioni di codici binari alle uscite dei contatori DD8.1, DD8.2, DD9.1, che vengono visualizzate dalla strip LED HL3-HL11. Un altro esempio di programmazione dell'effetto "ombra mobile" è considerato in [1]. Come accennato in precedenza, il dispositivo ha il potenziale per aumentare il numero di elementi luminosi. Per questo motivo, il dispositivo può essere utilizzato, ad esempio, come controller di un display di illuminazione. Il numero di elementi garland può raggiungere diverse decine (è conveniente aumentarli di un multiplo di otto) senza un cambiamento significativo nel protocollo dell'interfaccia seriale. È solo necessario impostare il numero richiesto di registri di controllo e di uscita e modificare di conseguenza il numero di impulsi di clock. Naturalmente è necessario tener conto della variazione del range di indirizzi EEPROM corrispondente ad una combinazione di luci dinamiche. Se devi controllare una ghirlanda con più di cento elementi, devi utilizzare registri buffer aggiuntivi. In questo caso, il trasferimento dei dati ai registri del buffer verrà eseguito a una frequenza di clock inferiore e i dati verranno riscritti nei registri di uscita collegati alle loro uscite al termine del ciclo di trasferimento dei dati ai registri del buffer. Ciò consentirà di trasferire pacchetti di dati di grandi dimensioni sulle linee dell'interfaccia seriale direttamente al momento della visualizzazione della combinazione luce-dinamica corrente. Naturalmente, ciò richiederà alcune complicazioni del protocollo. Per tutte le domande relative all'implementazione di un'interfaccia seriale in dispositivi dinamici della luce, è possibile ottenere un consiglio inviando una richiesta all'indirizzo e-mail dell'autore indicato all'inizio dell'articolo. Letteratura:
Autore: Odinets Alexander Leonidovich, Electronic_DesignArt@tut.by, Minsk, Bielorussia
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