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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Dispositivo dinámico de luz Onda viajera. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / iluminación Abstracto. Los dispositivos dinámicos de luz (SDU) con algoritmos programables permiten crear una amplia variedad de efectos dinámicos de luz y controlar una gran cantidad de elementos de luz de acuerdo con el programa. Los LED con control de brillo lineal (suave), a diferencia de los LED con control de brillo discreto, requieren el uso de un controlador PWM de hardware separado para cada canal. Por lo tanto, la complejidad de dicho dispositivo aumenta en proporción al número de elementos ligeros. Este artículo analiza una versión de 16 canales de la SDU con control de brillo suave, que combina la simplicidad de las soluciones de circuitos y la emulación implementada por software de 16 controladores PWM de hardware. Visión de conjunto. El control síncrono simultáneo del brillo de una gran cantidad de elementos de luz de acuerdo con una ley lineal requiere no solo el uso de un controlador PWM de hardware separado para cada canal, sino también la sincronización del funcionamiento de dichos controladores con un cierto cambio de fase entre canales. El dispositivo propuesto se basa en la arquitectura de un controlador programable de 16 canales con interfaz serial, discutida en [1]. Las diferencias están en el algoritmo de lectura y el firmware de la EEPROM IC, así como en el uso de registros de salida más complejos como 74AC595. Este registro consta de 16 celdas de disparo, las primeras ocho de las cuales son parte del registro de búfer y las ocho restantes son parte de la salida. El uso de una interfaz en serie permite aumentar la cantidad de elementos de luz con costos mínimos de hardware sin complicar significativamente el circuito del controlador principal, así como controlar simultáneamente y sincrónicamente varios conjuntos de elementos de luz a través de líneas de interfaz en serie, cuya longitud puede alcanzar los 100 m En el caso más simple, la SDU implementa dos efectos de iluminación del tipo "onda viajera" con una longitud de palabra de secuencia PWM de 16 bits. Los efectos se cambian automáticamente después de cuatro repeticiones o se seleccionan manualmente presionando un botón. Con un aumento en la cantidad de memoria utilizada por la EEPROM IC, es posible aumentar la cantidad de canales, la cantidad de efectos y la longitud de palabra de la secuencia PWM.
Para un control suave del brillo, este dispositivo utiliza el principio de modulación de ancho de pulso (PWM). PWM es una forma de codificar una señal digital cambiando la duración (ancho) de los pulsos de frecuencia portadora rectangular. En la fig. 1 muestra formas de onda PWM típicas. Dado que la frecuencia de los pulsos y, por lo tanto, el período (T), permanecen sin cambios durante la modulación por ancho de pulso, la pausa entre pulsos aumenta con una disminución en la duración del pulso (t) (gráfico "B" en la Fig. 1) y, a la inversa, con un aumento en la duración del pulso, la pausa disminuye (gráfico "C" en la Fig. 1). En nuestro caso, el encendido del LED corresponde a la aparición de un nivel de cero lógico en la salida del registro, por lo que el brillo aumenta al aumentar el ciclo de trabajo del pulso (gráfico "B" en la Fig. 1) y, por el contrario, el brillo disminuye al disminuir el ciclo de trabajo (gráfico "C" en la Fig. 1). Recuerde que el ciclo de trabajo del pulso es la relación entre el período de repetición del pulso y su duración. El ciclo de trabajo es una cantidad adimensional y no tiene unidades de medida, pero se puede expresar como un porcentaje. Este dispositivo utiliza una longitud de palabra de 16 bits de la secuencia PWM, que corresponde a 16 gradaciones de brillo de los elementos de luz. Tal número de gradaciones de brillo es suficiente para un cambio de brillo visualmente suave con un período de subida y bajada de la "onda viajera" que no exceda un segundo. Con un aumento en el período de cambio de brillo a dos o tres segundos, las transiciones entre los niveles de brillo (graduaciones) se notan visualmente, lo que requerirá un aumento en la longitud de palabra de la secuencia PWM. Pero para la mayoría de las aplicaciones, si no se requiere una reproducción muy lenta del efecto, 16 gradaciones de brillo son suficientes. Para controlar un conjunto remoto de elementos de luz, se utilizan tres líneas de señal de la interfaz serial: "Data", "Clk1" y "Clk2". La primera línea "Data" es una señal de información, y las otras dos líneas - "Clk1" y "Clk2" son las señales estroboscópicas del búfer y los registros de salida, respectivamente, que forman parte del IC 74AC595. Cuando se opera en líneas de comunicación largas y descoordinadas, surgen problemas de transmisión de datos debido a los conocidos reflejos de señal y diafonía inducidos por conductores adyacentes incluidos en el mismo haz. Tales reflejos e interferencias que ocurren en el sistema dinámico de luz significan una violación del efecto estético. Esto impone restricciones sobre la longitud de la línea de conexión e impone requisitos estrictos sobre la inmunidad al ruido de un sistema que utiliza una interfaz en serie. La inmunidad al ruido de un sistema de este tipo depende de muchos factores: la frecuencia y la forma de los pulsos de la señal transmitida, el tiempo entre cambios en los niveles (ciclo de trabajo) de los pulsos, la capacitancia específica de los conductores de línea incluidos en el paquete, la resistencia de línea equivalente, así como la impedancia de entrada de los receptores de señal y la impedancia de salida de los controladores. Los efectos de las líneas largas que no coinciden comienzan a aparecer cuando los tiempos de retardo de propagación de la señal a lo largo de la línea y hacia atrás comienzan a exceder la duración de los frentes de subida y bajada de la señal. Cualquier desajuste entre la impedancia de línea equivalente y la impedancia de entrada de la puerta lógica en el lado de recepción de la línea o la impedancia de salida del controlador en el lado de transmisión hará que la señal se refleje varias veces. Los tiempos de subida y bajada típicos de los microcircuitos de la serie KR1554 son inferiores a 5 ns, por lo que los efectos de las líneas largas no coincidentes comienzan a aparecer cuando su longitud es de solo cincuenta a sesenta centímetros. Conociendo las características de la línea de transmisión, como la capacitancia total de entrada y la capacitancia específica por unidad de longitud, es posible calcular el tiempo de retardo de propagación de la señal a lo largo de toda la línea. Un tiempo de retardo de propagación típico suele ser de 5 a 10 ns/m. Si la línea de conexión es lo suficientemente larga y los tiempos de subida y bajada son lo suficientemente cortos, el desajuste entre la impedancia de línea equivalente y la impedancia de entrada de la compuerta CMOS en el lado de recepción crea una reflexión de señal cuya amplitud depende del voltaje instantáneo aplicado a la entrada del elemento y el coeficiente de reflexión, que a su vez depende de la impedancia de línea equivalente y la impedancia de la compuerta de entrada. Dado que la impedancia de entrada de los elementos IC de la serie KR1554 es muchas veces mayor que la resistencia equivalente de una línea hecha de un par trenzado o un conductor blindado, el voltaje reflejado en la entrada del receptor se duplica. Esta señal reflejada se propaga a lo largo de la línea de regreso al transmisor, donde se refleja nuevamente, y el proceso se repite hasta que la señal se atenúa por completo. Enfatizamos especialmente que los reflejos no están relacionados de ninguna manera con la frecuencia de los pulsos de señal transmitidos, sino que son causados solo por la gran pendiente de los frentes de los pulsos de reloj transmitidos. Para combatir los reflejos en los circuitos profesionales, cuando se trabaja en una línea larga (100 mo más), se utilizan controladores especiales que reducen la inclinación de los frentes de los pulsos de reloj transmitidos y, por lo tanto, eliminan los errores de transmisión de datos. Para operar en una línea de longitud relativamente corta (de 10 a 100 m), los circuitos integrados lógicos estándar de la serie KR1554 (74ACxx) son muy adecuados. Debido a su alta capacidad de carga, se puede controlar directamente una carga capacitiva. Las características de salida (transferencia) de corriente-voltaje equilibradas (simétricas) de los elementos de estos microcircuitos hacen posible obtener casi los mismos tiempos de subida y caída del frente. Además, los potentes elementos de búfer basados en disparadores Schmitt con histéresis, cuyo valor mínimo es de aproximadamente 0,9 V a una tensión de alimentación de 4,5 V, se pueden utilizar para transmitir señales a la línea y recibir, lo que crea un margen adicional de inmunidad al ruido. Para compensar la señal reflejada en este dispositivo, se utilizan los llamados integradores o cadenas RC integradoras. La necesidad de ellos surge solo cuando se trabaja en una línea de más de 10 m en condiciones de un mayor nivel de interferencia. En la versión del autor del dispositivo en líneas de hasta 10 m de largo, no se utilizaron los condensadores que se muestran en los diagramas de los registros de salida con líneas discontinuas. La línea de comunicación con una longitud de hasta 10 m se realiza mediante un haz de 5 conductores, incluidos "Power "+12V"" y "Common wire". En este caso, no se observan fallos, incluso sin condensadores integrados. Con una longitud de línea de señal de 10 a 100 m, aumenta la diafonía inducida por conductores adyacentes. En este caso, cada línea de señal: "Data", "Clk1" y "Clk2" debe hacerse con un par trenzado separado, y los condensadores que se muestran en el diagrama con líneas discontinuas deben instalarse en las tarjetas de registro de salida. En este caso, los registros remotos y las guirnaldas se alimentan de una fuente de alimentación separada de "+12 V".
Diagrama esquemático. El dispositivo dinámico de luz (Fig. 2) consta de la placa del controlador principal y dos placas de registro remoto, que están conectadas a la placa principal mediante tres líneas de interfaz en serie. Un conductor común (que no se muestra en el diagrama) también forma parte de la línea de conexión y está hecho con un cable trenzado con una sección transversal de al menos 1 mm2. La línea de conexión termina con un enchufe DB-9 de 9 pines. La placa de circuito impreso tiene un conector de acoplamiento XN1 (tampoco se muestra en el diagrama). La placa del controlador principal contiene: un circuito de reinicio en el disparador Schmitt DD1.4 y los elementos C3-R6-R7; generador maestro en los elementos DD1.1 ... DD1.3; circuito de generación de impulsos de sincronización DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; contador de direcciones DD6.2 muestreo multiplexor DD9 y contadores DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 direccionamiento IC EEPROM DD8; una barra LED para indicar el número de página de memoria (HL1…HL4, verde), un indicador para aumentar/disminuir el brillo (HL5, amarillo) y un indicador para el número del efecto dinámico de luz (HL6, rojo). Los registros DD11, DD12 y la línea LED HL7…HL22 están instalados en la placa principal para monitorear el rendimiento del dispositivo. Se utilizaron potentes elementos de búfer basados en disparadores Schmitt del tipo KR1554TL2 (74AC14) como controladores para la traducción de señales. Como IC de memoria, puede usar no solo la EEPROM del tipo AT28C16, sino también la RPZU del tipo KR573RF2 (RF5). Para desarrollar un programa de control se utilizó un controlador con programador integrado, considerado en [2] y [3]. También es posible escribir un firmware de control alternativo usando el "Programador virtual" ("Dumper de efectos de luz"), pero, en este caso, es necesario reasignar las líneas de dirección del EEPROM (EPROM) IC al programarlo usando un programador estándar. Esta función es compatible con todos los programadores industriales de nivel profesional y la mayoría de los programadores de nivel intermedio. La necesidad de reasignar las líneas de dirección al programar la EEPROM se debe al hecho de que al desarrollar el programador discutido en [2] y [3], inicialmente se eligió un orden diferente (inverso) de las líneas de dirección para la conveniencia de rastrear la placa de circuito impreso. Para un controlador específico [2] y [3], la reasignación de líneas de dirección no afecta de ninguna manera la operación, ya que los datos se leen en la misma secuencia en que fueron escritos. Durante el desarrollo del CDS de “onda viajera”, se conservó el orden de numeración de las líneas de dirección para garantizar la compatibilidad de este dispositivo con el programador [2] y [3]. Pero la tabla muestra una versión del parpadeo de efectos de iluminación dinámicos, generados utilizando el programa "Programador virtual" ("Dumper de efectos de luz"), para que los lectores puedan ver el firmware utilizando el programa "Simulador virtual" ("Lector de efectos de luz"), disponible en el enlace [4], y familiarizarse mejor con los principios de funcionamiento del dispositivo y el desarrollo de un programa de control. ¿Cómo funciona?. Cuando se enciende, el circuito integrador C3-R6, junto con el disparador Schmitt DD1.4, genera un breve pulso positivo que restablece los contadores DD2.1 ... DD6.2 (excepto DD3.1, que no se usa) y, por lo tanto, restablece el controlador a su estado inicial. Los pulsos del oscilador maestro DD1.1 ... DD1.3 con una frecuencia de unos 130 kHz (más precisamente 131072 Hz) sincronizan el contador DD6.1, seguido de DD6.2 y el resto de los contadores de direcciones. De cara al futuro, digamos que un ciclo completo de aumento-disminución del brillo de la "onda viajera" de duración igual a dos segundos corresponde a la frecuencia del oscilador maestro exactamente 131072 Hz. Este valor se deriva de una frecuencia de actualización del registro de salida de 128 Hz, que es muy superior al valor ergonómico de 85 Hz. Tal tasa de actualización de datos es necesaria para eliminar el parpadeo de los elementos de luz y crear la ilusión de un cambio suave en el brillo.
El diagrama de tiempo para la formación de pulsos de sincronización se muestra en la Fig.3. Se puede ver que por cada pulso de sincronización de los registros de salida ("Clk2"), que se forma en la salida del elemento DD7.2 (pin 6), hay 16 pulsos de sincronización de los registros de búfer ("Clk1"), que son parte del IC 74AC595. Además, el flanco positivo del pulso de sincronización ("Clk1"), que se forma en la salida del elemento DD4.3 (pin 6), cae en medio de la familiaridad de la transmisión de bits de datos. La sincronización del registro del búfer en los momentos que caen en el medio de la familiaridad, según lo establecido por la experiencia, según los resultados de las pruebas de la versión básica del controlador [1], corresponde a la máxima inmunidad al ruido cuando se trabaja en líneas no coordinadas de gran longitud. Al mismo tiempo, no es necesario utilizar integradores en las entradas de los registros remotos. El primer pulso negativo, contando desde el momento en que se enciende, formado en la salida del elemento DD4.3 (pin 6), con su borde posterior (caída positiva) escribe el bit de datos leído de la primera celda de la EEPROM en la dirección cero (0000h) en los primeros activadores de los registros de búfer que forman parte del IC DD11 y DD14 con un cambio simultáneo de información en la dirección de bits crecientes. El contenido de los registros de salida incluidos en el IC DD11, DD12, DD14, DD16 no cambia, y las tiras de LED muestran la combinación dinámica de luz actual. Como se señaló anteriormente, la longitud de palabra de la secuencia PWM es de 16 bits, por lo tanto, para mostrar un nivel (graduación) de brillo en una línea de 16 LED, es necesario transferir un paquete de datos de 16 x 16 = 256 bits de información a los registros, que corresponde condicionalmente a una página del espacio de direcciones EEPROM. Por lo tanto, un ciclo completo de entrada/salida requiere 32 páginas de espacio de direcciones o 8K, de las cuales las primeras 16 páginas (4K) son un medio ciclo de aumento de brillo, y la segunda mitad, también 16 páginas (también de tamaño 4K) es un medio ciclo de disminución de brillo, contando en relación con el primer canal. El flanco negativo de cada pulso positivo de la salida 2 (pin 4) del contador DD6.1 aumenta en uno el estado del contador DD6.2 y, por lo tanto, conecta a la salida del multiplexor DD9 su entrada decimal correspondiente al equivalente binario del código, que, a su vez, se conecta a la salida del bit de datos correspondiente de la EEPROM IC DD8. Después de escribir 16 bits de datos en los registros de búfer del IC DD11, DD12, DD14, DD16, el borde posterior (flanco positivo) del pulso negativo generado en la salida del elemento DD7.2 reescribe el contenido de los registros de búfer del IC DD11, DD12, DD14, DD16 en sus respectivos registros de salida. Al mismo tiempo, se fija una nueva combinación en las líneas LED HL7 ... HL22 y HL23 ... HL38. Pero el valor de brillo total (integral) corresponde exactamente a dieciséis paquetes de 16 bits, es decir 16 x 16 = 256 bits de datos transferidos a los registros a través de las líneas seriales como se indicó anteriormente. El cambio en los niveles (graduaciones) de brillo se indica mediante una línea de LED HL1 ... HL4, que muestra el estado del contador DD3.2 en un código binario. Como se puede ver en el circuito eléctrico (Fig. 2), los pulsos de conteo llegan a la entrada DD3.2 desde la salida DD2.2 después de dividir por ocho usando el contador DD2.1. Tal división de frecuencia de los pulsos de salida DD2.2 es necesaria para un aumento de brillo más lento que el que podría obtenerse sin división de frecuencia utilizando el contador DD2.1. Los contadores DD3.2 y DD5.1 direccionan la primera mitad del espacio IC EEPROM DD8 en el estado cero del contador DD5.2 y la segunda mitad del espacio de direcciones IC EEPROM DD8 en el estado único de este contador. El modo de selección de efectos de iluminación, manual o automático, se establece mediante el interruptor SA1. En la posición que se muestra en el diagrama, los efectos se alternan automáticamente después de cuatro repeticiones. Esto se logra suministrando pulsos de conteo desde la salida del tercer dígito DD5.1 (pin 5) hasta la entrada del contador DD5.2. En la posición inferior, según el esquema, del interruptor SA1, se reciben pulsos positivos cortos en la entrada del contador DD5.2 cuando se presiona el botón SB1. Los contadores de estado DD5.1 y DD5.2 indican, respectivamente, LED amarillo (HL5) y rojo (HL6).
Construcción y detalles. El controlador principal está montado sobre una placa de circuito impreso de fibra de vidrio de doble cara con unas dimensiones de 140 x 90 mm y un espesor de 1,5 mm (Fig. 4), y los registros de salida (Fig. 5) son de 90 x 30 mm (Fig. 6). El dispositivo utiliza resistencias fijas del tipo MLT-0,125, resistencias de sintonización - SP3-38b, condensadores no polares (C1 ... C3, C8 ... C10, C12 ... C14) del tipo K10-17, óxido (C4 ... C7, C11, C15) - K50-35 o importado. Los LED superbrillantes con un diámetro de 3 mm (HL1…HL6) y un diámetro de 5 mm (HL7…HL22) se instalan en la placa del controlador principal, y los LED superbrillantes de cuatro colores KIPM-15 con un diámetro de 10 mm se colocan en una secuencia alterna en una guirnalda remota.
Dada la diferencia en la caída de tensión entre los LED con polarización directa (para el rojo y el amarillo, este valor es de 2,1 V, y para el azul y el verde, de 3,0 V), es necesario conectar las resistencias limitadoras correspondientes en serie con los LED: 220 y 150 ohmios. Para controlar una carga potente, los registros de salida deben complementarse con interruptores de transistor o triac. Es posible usar directamente en el sitio EEPROM tipo AT28C16-15PI chip de memoria tipo RPZU tipo KR573RF2 o KR573RF5 sin cambiar el diseño de la placa de circuito impreso. Los contadores tipo KR1564 IE23 (74HC 4520N) se pueden reemplazar por K561 IE10 (CD4520AN), excepto los circuitos integrados DD3, DD5, a cuyas salidas se conectan los LED indicadores. El multiplexor DD9 tipo KR1564 KP7 (74HC 151) reemplazará al KR1564 KP15 (74HC 251). La línea de conexión con una longitud de hasta 10 m está hecha con un haz de 4 conductores trenzados con una sección transversal de 0,35 mm2 (para líneas de señal) y 1 mm2 (cable "común") aislados, y con una longitud de 10 a 100 m, las líneas de señal deben estar hechas en pares trenzados separados, y deben instalarse capacitores integradores con una capacidad de no más de 150 pF en los tableros de registro de salida.
La preparación para el funcionamiento del dispositivo ensamblado a partir de piezas reparables y sin errores consiste en escribir el firmware en el EEPROM IC (EPROM) utilizando un programador estándar. En este caso, es necesario reasignar mediante programación el orden de las líneas de dirección de EEPROM IC seleccionando la opción apropiada en el programa. Antes de programar el chip EEPROM, el archivo de texto del programa (ver tabla) debe convertirse a formato binario utilizando uno de los programas de conversión gratuitos, por ejemplo, [5]. Puede seleccionar la velocidad de reproducción deseada para los efectos de iluminación dinámicos utilizando la resistencia de corte R3 en la placa del controlador principal. fuentes
Autor: Odinets A.L.
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