Dispositivo dinâmico de luz Onda viajante. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Abstrato. Dispositivos dinâmicos de luz (SDU) com algoritmos programáveis ​​permitem criar uma ampla variedade de efeitos dinâmicos de luz e controlar um grande número de elementos de luz de acordo com o programa. LEDs com controle de brilho linear (suave), ao contrário dos LEDs com controle de brilho discreto, requerem o uso de um controlador PWM de hardware separado para cada canal. Portanto, a complexidade de tal dispositivo aumenta proporcionalmente ao número de elementos leves.

Este artigo discute uma versão de 16 canais do SDU com controle de brilho suave, que combina a simplicidade de soluções de circuito e emulação implementada por software de 16 controladores PWM de hardware.

Visão global. O controle síncrono simultâneo do brilho de um grande número de elementos de luz de acordo com uma lei linear requer não apenas o uso de um controlador PWM de hardware separado para cada canal, mas também a sincronização da operação de tais controladores com uma certa mudança de fase entre os canais. O dispositivo proposto é baseado na arquitetura de um controlador programável de 16 canais com interface serial, discutido em [1]. As diferenças estão no algoritmo de leitura e firmware do EEPROM IC, bem como no uso de registradores de saída mais complexos como 74AC595. Este registro consiste em 16 células de disparo, sendo que as oito primeiras fazem parte do registro do buffer e as oito restantes fazem parte da saída.

O uso de uma interface serial permite aumentar o número de elementos de luz com custos mínimos de hardware sem complicar significativamente os circuitos do controlador principal, além de controlar simultaneamente e de forma síncrona vários conjuntos de elementos de luz por meio de linhas de interface serial, cujo comprimento pode atingir 100 m. No caso mais simples, o SDU implementa dois efeitos de iluminação do tipo "onda viajante" com um comprimento de palavra de sequência PWM de 16 bits. Os efeitos são alterados automaticamente após quatro repetições ou são selecionados manualmente pressionando um botão. Com o aumento da quantidade de memória utilizada pelo EEPROM IC, é possível aumentar o número de canais, o número de efeitos, bem como o tamanho da palavra da sequência PWM.

Para um controle de brilho suave, este dispositivo usa o princípio da Modulação por Largura de Pulso (PWM). PWM é uma maneira de codificar um sinal digital alterando a duração (largura) dos pulsos de frequência portadora retangular. Na fig. 1 mostra formas de onda PWM típicas. Como, com a modulação por largura de pulso, a frequência do pulso e, portanto, o período (T) permanecem inalterados, com uma diminuição na duração do pulso (t), a pausa entre os pulsos aumenta (diagrama "B" na Fig. 1) e, inversamente, com o aumento da duração, a pausa do pulso diminui (gráfico "B" na Fig. 1). Em nosso caso, ligar o LED corresponde ao aparecimento de um nível lógico zero na saída do registrador, de modo que o brilho aumenta com o aumento do ciclo de trabalho do pulso (gráfico "B" na Fig. 1) e, inversamente, o brilho diminui com a diminuição do ciclo de trabalho (gráfico "C" na Fig. 1). Lembre-se de que o ciclo de trabalho do pulso é a razão entre o período de repetição do pulso e sua duração. O ciclo de trabalho é uma quantidade adimensional e não possui unidades de medida, mas pode ser expresso como uma porcentagem.

Este dispositivo usa um comprimento de palavra de 16 bits da sequência PWM, que corresponde a 16 gradações de brilho dos elementos de luz. Tal número de gradações de brilho é suficiente para uma mudança visualmente suave no brilho com um período de ascensão e queda da "onda viajante" não superior a um segundo. Com o aumento do período de mudança de brilho para dois ou três segundos, as transições entre os níveis de brilho (gradações) tornam-se visualmente perceptíveis, o que exigirá um aumento no comprimento da palavra da sequência PWM. Mas para a maioria das aplicações, se não for necessária uma reprodução muito lenta do efeito, 16 gradações de brilho são suficientes.

Para controlar um conjunto remoto de elementos de luz, são utilizadas três linhas de sinal da interface serial: "Data", "Clk1" e "Clk2". A primeira linha "Data" é um sinal de informação, e as outras duas linhas - "Clk1" e "Clk2" são os sinais estroboscópicos do buffer e dos registradores de saída, respectivamente, que fazem parte do IC 74AC595.

Ao operar em longas linhas de comunicação descoordenadas, surgem problemas de transmissão de dados devido às conhecidas reflexões de sinal e diafonia induzidas por condutores adjacentes incluídos no mesmo feixe. Tais reflexões e interferências que ocorrem no sistema dinâmico-luminoso significam uma violação do efeito estético. Isso impõe restrições ao comprimento da linha de conexão e impõe requisitos estritos à imunidade a ruído de um sistema que usa uma interface serial.

A imunidade a ruído de tal sistema depende de muitos fatores: a frequência e a forma dos pulsos do sinal transmitido, o tempo entre as mudanças nos níveis (ciclo de trabalho) dos pulsos, a capacitância específica dos condutores de linha incluídos no pacote , a resistência de linha equivalente, bem como a impedância de entrada dos receptores de sinal e a impedância de saída dos drivers.

Os efeitos de longas linhas incompatíveis começam a aparecer quando os tempos de atraso de propagação do sinal ao longo da linha e de volta começam a exceder a duração das frentes de subida e descida do sinal. Qualquer incompatibilidade entre a impedância de linha equivalente e a impedância de entrada da porta lógica no lado receptor da linha ou a impedância de saída do driver no lado de transmissão fará com que o sinal seja refletido várias vezes. Os tempos típicos de subida e descida para os microcircuitos da série KR1554 são inferiores a 5 ns, de modo que os efeitos de longas linhas incompatíveis começam a aparecer quando seu comprimento é de apenas cinquenta a sessenta centímetros.

Conhecendo as características da linha de transmissão, como capacitância total de entrada e capacitância específica por unidade de comprimento, é possível calcular o tempo de atraso de propagação do sinal ao longo de toda a extensão da linha. Um tempo de atraso de propagação típico é tipicamente 5-10 ns/m. Se o comprimento da linha de conexão for longo o suficiente e a duração das bordas de subida e descida do sinal for pequena o suficiente, a incompatibilidade entre a resistência de linha equivalente e a resistência de entrada do elemento lógico CMOS no lado receptor cria uma reflexão de sinal , cuja amplitude depende do valor instantâneo da tensão aplicada à entrada do elemento e do coeficiente de reflexão, que, por sua vez, depende da resistência equivalente da linha e da resistência de entrada do portão de entrada.

Como a impedância de entrada dos elementos IC da série KR1554 é muitas vezes maior que a resistência equivalente de uma linha feita de um par trançado ou um condutor blindado, a tensão refletida na entrada do receptor dobra. Este sinal refletido se propaga ao longo da linha de volta ao transmissor, onde é refletido novamente, e o processo é repetido até que o sinal seja completamente atenuado.

Enfatizamos especialmente que as reflexões não estão relacionadas à frequência dos pulsos de sinal transmitidos, mas são causadas apenas pela alta inclinação das frentes dos pulsos de relógio transmitidos. Para combater os reflexos em circuitos profissionais, ao trabalhar em uma linha longa (100 m ou mais), são utilizados drivers especiais que reduzem a inclinação das frentes dos pulsos de relógio transmitidos e, assim, eliminam os erros de transmissão de dados.

Para operação em uma linha de comprimento relativamente curto (de 10 a 100 m), os ICs lógicos padrão da série KR1554 (74ACxx) são bastante adequados. Devido à sua alta capacidade de carga, uma carga capacitiva pode ser controlada diretamente. As características de saída (transferência) de corrente e tensão balanceadas (simétricas) dos elementos desses microcircuitos permitem obter quase os mesmos tempos de subida e descida. Além disso, poderosos elementos de buffer baseados em gatilhos Schmitt com histerese, cujo valor mínimo é de cerca de 0,9 V a uma tensão de alimentação de 4,5 V, podem ser usados ​​para transmitir sinais para a linha e receber, o que cria uma margem adicional de imunidade a ruído .

Para compensar o sinal refletido neste dispositivo, são usados ​​os chamados integradores ou cadeias RC integradoras. A necessidade deles surge apenas ao trabalhar em uma linha com mais de 10 m em condições de maior nível de interferência. Na versão do autor do dispositivo em linhas de até 10 m de comprimento, os capacitores mostrados nos diagramas dos registradores de saída por linhas tracejadas não foram utilizados. A linha de comunicação com comprimento de até 10 m é realizada por um feixe de 5 condutores, incluindo "Power "+12V"" e "Fio comum". Neste caso, nenhuma falha é observada, mesmo sem capacitores integrados. Com um comprimento de linha de sinal de 10 a 100 m, o crosstalk induzido por condutores adjacentes aumenta. Nesse caso, cada linha de sinal: "Data", "Clk1" e "Clk2" deve ser feita com um par trançado separado, e os capacitores mostrados no diagrama por linhas tracejadas devem ser instalados nas placas registradoras de saída. Neste caso, os registros remotos e guirlandas são alimentados por uma fonte de alimentação "+12V" separada.

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Diagrama esquemático. O dispositivo dinâmico de luz (Fig. 2) consiste na placa controladora principal e duas placas registradoras remotas, que são conectadas à placa principal usando três linhas de interface serial. Um condutor comum (não mostrado no diagrama) também faz parte da linha de conexão e é feito com um fio trançado com seção transversal de pelo menos 1 mm2. A linha de conexão termina com um plugue DB-9 de 9 pinos. A placa de circuito impresso possui um conector correspondente XN1 (também não mostrado no diagrama).

A placa controladora principal contém: um circuito de reset no gatilho Schmitt DD1.4 e elementos C3-R6-R7; gerador mestre nos elementos DD1.1 ... DD1.3; circuito de geração de pulso de sincronização DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; contador de endereço DD6.2 multiplexador de amostragem DD9 e contadores DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 endereçamento IC EEPROM DD8; uma barra de LED para indicar o número da página de memória (HL1…HL4, verde), um indicador para aumentar/diminuir o brilho (HL5, amarelo) e um indicador para o número do efeito dinâmico de luz (HL6, vermelho). Os registradores DD11, DD12 e linha de LED HL7…HL22 são instalados na placa principal para monitorar o desempenho do dispositivo. Elementos de buffer poderosos baseados em gatilhos Schmitt do tipo KR1554TL2 (74AC14) foram usados ​​como drivers para tradução de sinal. Como um IC de memória, você pode usar não apenas o tipo EEPROM AT28C16, mas também o tipo RPZU KR573RF2 (RF5).

Para desenvolver um programa de controle, foi utilizado um controlador com programador integrado, considerado em [2] e [3]. Também é possível escrever um firmware de controle alternativo usando o "Virtual Programmer" ("Light Effects Dumper"), mas, neste caso, é necessário reatribuir as linhas de endereço do IC EEPROM (EPROM) ao programá-lo usando um programador padrão. Este recurso é suportado por todos os programadores industriais de nível profissional e pela maioria dos programadores de nível intermediário. A necessidade de reatribuir as linhas de endereço ao programar a EEPROM se deve ao fato de que, ao desenvolver o programador discutido em [2] e [3], uma ordem diferente (reversa) das linhas de endereço foi inicialmente escolhida para a conveniência de rastrear o placa de circuito impresso. Para um controlador específico [2] e [3], a redefinição das linhas de endereço não afeta em nada a operação, pois os dados são lidos na mesma sequência em que foram escritos. Durante o desenvolvimento do CDS “onda viajante”, a ordem de numeração das linhas de endereço foi preservada para garantir a compatibilidade deste dispositivo com o programador [2] e [3].

Mas a tabela mostra uma variante do firmware de efeitos dinâmicos de iluminação, gerado usando o programa "Virtual Programmer" ("Light Effects Dumper"), para que os leitores possam visualizar o firmware usando o programa "Virtual Simulator" ("Light Effects Reader") , disponível no link [4 ], e conheça melhor os princípios de funcionamento do dispositivo e o desenvolvimento de um programa de controle.

Como funciona. Quando a energia é ligada, o circuito integrador C3-R6, juntamente com o gatilho Schmitt DD1.4, gera um pulso positivo curto que zera os contadores DD2.1 ... DD6.2 (exceto para DD3.1, que é não usado) e, assim, redefine o controlador para seu estado original. Os pulsos do oscilador mestre DD1.1 ... DD1.3 com uma frequência de cerca de 130 kHz (mais precisamente 131072 Hz) sincronizam o contador DD6.1, seguido por DD6.2 e o restante dos contadores de endereço. Olhando para o futuro, digamos que um ciclo completo de aumento-diminuição no brilho da "onda viajante" com duração igual a dois segundos corresponde à frequência do oscilador mestre exatamente 131072 Hz. Este valor é derivado de uma taxa de atualização do registro de saída de 128 Hz, que é muito superior ao valor ergonômico de 85 Hz. Essa taxa de atualização de dados é necessária para eliminar a oscilação dos elementos de luz e criar a ilusão de uma mudança suave no brilho.

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O diagrama de temporização para a formação dos pulsos de sincronização é mostrado na Fig.3. Pode-se ver que para cada pulso de sincronização dos registradores de saída ("Clk2"), que é formado na saída do elemento DD7.2 (pino 6), existem 16 pulsos de sincronização dos registradores de buffer ("Clk1 "), que fazem parte do IC 74AC595. Além disso, a borda positiva do pulso de sincronização (“Clk1”), que é formada na saída do elemento DD4.3 (pino 6), cai no meio da familiaridade da transmissão do bit de dados. A sincronização do registro do buffer nos momentos que caem no meio da familiaridade, conforme estabelecido pela experiência, de acordo com os resultados dos testes da versão básica do controlador [1], corresponde à máxima imunidade a ruído ao trabalhar em linhas descoordenadas de grande comprimento. Ao mesmo tempo, não há necessidade de usar integradores nas entradas dos registradores remotos.

O primeiro pulso negativo, contado a partir do momento em que a energia é ligada, formado na saída do elemento DD4.3 (pino 6), com sua borda de fuga (queda positiva) escreve o bit de dados lido da primeira célula do EEPROM no endereço zero (0000h) no primeiro dispara os registradores do buffer que fazem parte do IC DD11 e DD14 com um deslocamento simultâneo de informações na direção dos bits crescentes. O conteúdo dos registradores de saída incluídos no IC DD11, DD12, DD14, DD16 não muda, e as tiras de LED exibem a combinação dinâmica de luz atual. Conforme observado acima, o tamanho da palavra da sequência PWM é de 16 bits, portanto, para exibir um nível (gradação) de brilho em uma linha de 16 LEDs, é necessário transferir um pacote de dados de 16 x 16 = 256 bits de informação aos registradores, que corresponde condicionalmente a uma página do espaço EEPROM de endereço. Assim, um ciclo completo de fade-in leva 32 páginas de espaço de endereço ou 8K, das quais as primeiras 16 páginas (4K) são um meio ciclo de aumento de brilho e a segunda metade, também 16 páginas (também em tamanho 4K) é um meio ciclo de diminuição do brilho, contando em relação ao primeiro canal.

A borda negativa de cada pulso positivo da saída 2 (pino 4) do contador DD6.1 aumenta o estado do contador DD6.2 em um e, portanto, conecta à saída do multiplexador DD9 sua entrada decimal, correspondente a o equivalente binário do código, que, por sua vez, é conectado à saída dos dados de bit correspondentes IC EEPROM DD8. Depois de escrever 16 bits de dados nos registradores de buffer do IC DD11, DD12, DD14, DD16, a borda de fuga (borda positiva) do pulso negativo gerado na saída do elemento DD7.2, o conteúdo dos registradores de buffer de os IC DD11, DD12, DD14, DD16 são sobrescritos em seus respectivos registradores de saída. Ao mesmo tempo, uma nova combinação é fixada nas linhas de LED HL7 ... HL22 e HL23 ... HL38. Mas o valor de brilho total (integral) corresponde exatamente a dezesseis pacotes de 16 bits, ou seja, 16 x 16 = 256 bits de dados transferidos para os registradores pelas linhas seriais conforme observado acima.

A alteração dos níveis (gradações) de brilho é indicada por uma linha de LEDs HL1 ... HL4, que exibe o estado do contador DD3.2 em código binário. Como pode ser visto no circuito elétrico (Fig. 2), os pulsos de contagem chegam à entrada DD3.2 da saída DD2.2 após divisão por oito usando o contador DD2.1. Essa divisão de frequência dos pulsos de saída DD2.2 é necessária para um aumento mais lento do brilho do que poderia ser obtido sem divisão de frequência usando o contador DD2.1.

Os contadores DD3.2 e DD5.1 ​​​​endereçam a primeira metade do espaço IC EEPROM DD8 no estado zero do contador DD5.2 e a segunda metade do espaço de endereço IC EEPROM DD8 no estado único deste contador. O modo de seleção dos efeitos de iluminação - manual ou automático - é definido pelo interruptor SA1. Na posição mostrada no diagrama, os efeitos são alternados automaticamente após quatro repetições. Isso é obtido fornecendo pulsos de contagem da saída do terceiro dígito DD5.1 ​​​​(pino 5) para a entrada do contador DD5.2. Na posição inferior, de acordo com o esquema, da chave SA1, pulsos positivos curtos são recebidos na entrada do contador DD5.2 quando o botão SB1 é pressionado. Os contadores de status DD5.1 ​​e DD5.2 indicam, respectivamente, LEDs amarelos (HL5) e vermelhos (HL6).

Construção e detalhes. O controlador principal é montado em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro dupla face com dimensões de 140 x 90 mm e espessura de 1,5 mm (Fig. 4), e os registros de saída (Fig. 5) são de 90 x 30 mm ( Fig. 6). O dispositivo usa resistores fixos do tipo MLT-0,125, resistores de ajuste - SP3-38b, capacitores não polares (C1 ... C3, C8 ... C10, C12 ... C14) do tipo K10-17, óxido (C4 ... C7, C11, C15) - K50-35 ou importado. LEDs superbrilhantes com um diâmetro de 3 mm (HL1…HL6) e um diâmetro de 5 mm (HL7…HL22) são instalados na placa controladora principal e LEDs superbrilhantes de quatro cores KIPM-15 com um diâmetro de 10 mm são colocados em uma sequência alternada em uma guirlanda remota.

Dada a diferença na queda de tensão nos LEDs com polarização direta (para vermelho e amarelo esse valor é 2,1 V e para azul e verde - 3,0 V), é necessário conectar os resistores limitadores correspondentes em série com os LEDs: 220 e 150 Ohm . Para controlar uma carga poderosa, os registradores de saída devem ser complementados com interruptores de transistor ou triac. É possível usar diretamente no local EEPROM tipo AT28C16-15PI chip de memória tipo RPZU tipo KR573RF2 ou KR573RF5 sem alterar o padrão da placa de circuito impresso.

Os contadores tipo KR1564 IE23 (74HC 4520N) podem ser substituídos por K561 IE10 (CD4520AN), exceto os ICs DD3, DD5, em cujas saídas estão conectados LEDs indicadores. Multiplexador DD9 tipo KR1564 KP7 (74HC 151) substituirá KR1564 KP15 (74HC 251). A linha de conexão com comprimento de até 10 m é feita com um feixe de 4 condutores trançados com seção transversal de 0,35 mm2 (para linhas de sinal) e 1 mm2 (fio “comum”) isoladamente e com comprimento de 10 a 100 m, as linhas de sinal devem ser feitas em pares trançados separados e, nas placas dos registradores de saída, instalar capacitores de integração com capacidade não superior a 150 pF.

A preparação para operação do dispositivo montado a partir de peças reparáveis ​​e sem erros consiste em gravar o firmware no EEPROM IC (EPROM) usando um programador padrão. Neste caso, é necessário reatribuir programaticamente a ordem das linhas de endereço EEPROM IC selecionando a opção apropriada no programa. Antes de programar o chip EEPROM, o arquivo de texto do programa (ver tabela) deve ser convertido para o formato binário usando um dos programas conversores gratuitos, por exemplo, [5]. Você pode selecionar a velocidade de reprodução desejada para efeitos de iluminação dinâmicos usando o resistor trimmer R3 na placa controladora principal.

fontes

1. Odinets A. L. "SDU programável de 16 canais e simulador virtual." - "Eletricista", 2008, nº 4, p. 72-75, nº 5, p. 76-79.
2. Odinets A. L. "Dispositivo dinâmico de luz programável autônomo de 32 canais com uma interface serial." - "Radioamator", 2005, n.º 6, pág. 20-23., n.º 7, pág. 22-23.
3. Odinets A. L. "Dispositivo dinâmico de luz programável autônomo de 32 canais com uma interface serial." (Versão atualizada.) - "Eletricista", 2008, nº 11-12, p. 76-79., 2009, nº 1-2, p. 44-48.
4. dynamic-lights.narod.ru/LightEffectsReader.rar
5. winhex. com

Autor: Odinets A.L.

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