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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Dispositivo leve dinâmico programável autônomo de 32 canais com interface serial. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / iluminação Dispositivos dinâmicos de luz (SDU) são amplamente utilizados para o design estético de bares, discotecas, cassinos, iluminação festiva, em eletrônica automotiva (para controlar "luzes" de sinal de parada), bem como para organizar publicidade iluminada. SDUs com algoritmos programáveis permitem implementar uma ampla variedade de efeitos dinâmicos de luz e controlar um grande número de elementos de luz de acordo com o programa. Tal dispositivo pode ser implementado, por exemplo, em um microcontrolador e vários registradores, como circuitos de interface, para controlar um conjunto de elementos de luz. Mas, apesar da simplicidade das soluções de circuito, a fabricação de tais dispositivos nas condições de um laboratório de rádio amador é limitada, devido à inevitabilidade de usar um programador ou computador caro. Por outro lado, o uso de microcircuitos lógicos padrão comuns permite construir um dispositivo de luz dinâmica multicanal completamente autônomo com um programador integrado, que não requer o uso de nenhum programador adicional em geral, ou um computador em particular. Isso permite que você reprograme um conjunto de efeitos de iluminação dinâmicos em apenas alguns minutos em um modo completamente offline. A utilização de uma interface serial implementada neste dispositivo permite controlar simultaneamente e de forma síncrona várias grinaldas de elementos de luz através de três linhas de sinal (sem contar o fio comum), cujo comprimento total pode chegar a 100 m.
Visão global O CDS autônomo programável de 32 canais é uma versão aprimorada do dispositivo publicado em [1], e permite controlar independentemente cada um dos 32 elementos de luz da guirlanda através de 3 linhas de conexão da interface serial. A versão atualizada do dispositivo leva em consideração todos os recursos de operação do controlador em linhas não coordenadas de grande comprimento. Essa construção do SDU permite aumentar o número de elementos com custos mínimos de hardware sem aumentar o chicote elétrico e colocar a guirlanda a uma grande distância da placa controladora principal. A variedade de efeitos de luz dinâmicos não é limitada e depende da imaginação do usuário. Essa arquitetura tem o potencial de aumentar o número de elementos leves sem uma mudança significativa no protocolo de interface serial. (Isso será discutido abaixo). Na grande maioria dos projetos de dispositivos dinâmicos de luz, cada elemento de luz é controlado por sua conexão direta usando um condutor de sinal separado para a placa controladora principal. Mas, via de regra, esses dispositivos permitem controlar apenas um pequeno número de elementos [2]. Aumentar seu número requer o uso de chips de memória adicionais e um aumento correspondente no chicote elétrico. Isso leva a uma complicação significativa tanto do circuito quanto do código do programa necessário para "piscar" vários chips de memória. Além disso, nesta versão é impossível controlar um conjunto de elementos de luz que estão a uma distância considerável da placa controladora principal. A prática de repetir dispositivos dinâmicos de luz, por exemplo [2], mostra que o firmware publicado, infelizmente, está longe de ser perfeito e contém erros grosseiros. Mas, o usuário espera que o resultado do aparelho obtenha exatamente um efeito visual estético. Portanto, tal abordagem para o desenvolvimento de código de programa desencoraja completamente o desejo de repetir dispositivos dinâmicos de luz programáveis, apesar da grande variedade de efeitos implementados por software. O dispositivo proposto não possui essa desvantagem, e antes de armazenar na memória a combinação dinâmica de luz atual, ela é exibida na linha de controle de LEDs, o que possibilita eliminar completamente possíveis erros que possam ser cometidos pelo usuário no processo de programação. . A solução para o problema de aumentar o número e controlar um conjunto de elementos de luz localizados a uma grande distância da placa controladora principal é o uso de uma interface serial entre a placa principal e uma guirlanda composta por registros, os elementos de luz são conectados diretamente cujas saídas. Em tal dispositivo, a transferência de dados para os registros de saída é realizada por um período muito curto de tempo com uma frequência de clock de cerca de 12,5 kHz (com uma frequência de clock do gerador de RF de 100 kHz). Os pacotes de dados seguem um ao outro com uma frequência de cerca de 10 Hz, o que leva a uma mudança nas combinações dinâmicas de luz. Como o tempo de atualização dos dados nos registradores é muito curto: 80 μs x 32 pulsos = 2,56 ms, a mudança de combinações é imperceptível visualmente, o que cria o efeito de sua reprodução contínua. A linha é composta por um feixe de 4 condutores torcidos, incluindo um fio "comum", com comprimento de linha de até 10 metros, e um feixe de 7 condutores torcidos, com comprimento de 10 a 100 metros. No segundo caso, cada condutor de sinal ("Dados", "Sincronização", "Ativação de Indicação") é feito como um "par trançado", cujo segundo condutor é aterrado em ambos os lados da linha e, em seguida, todos os condutores são combinados em um pacote. Como é sabido, múltiplas reflexões de sinal que ocorrem em longas linhas descasadas, bem como a interação de interferência de duas linhas de sinal incluídas em um mesmo feixe, sob certas condições, podem levar a erros na transmissão de dados, o que no caso de um sistema de luz dinâmico significa uma violação do efeito estético. Isso impõe restrições no comprimento da linha de conexão e impõe requisitos estritos à imunidade a ruídos de um sistema usando uma interface serial.
A imunidade a ruído de um sistema usando uma interface serial 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 drivers de impedância de saída. Sabe-se que o principal critério de imunidade ao ruído é o valor da tensão de chaveamento limiar dos elementos lógicos [3]. A tensão de comutação limite do elemento lógico inversor é considerada um valor no qual a saída do elemento é ajustada para uma tensão igual à entrada. Para microcircuitos TTL (série K155), esse valor é de aproximadamente 1,1 V em uma tensão de alimentação típica de 5 V [3]. A utilização de tais microcircuitos em dispositivos de transmissão e recepção de dados em longas linhas descoordenadas não permite obter imunidade a ruído aceitável mesmo quando se trabalha em uma linha curta (5 m). O fato é que múltiplas reflexões de sinal, cuja amplitude excede ligeiramente o valor da tensão limite de comutação dos elementos lógicos (1,1 V), levam a várias comutações dos registros de saída e, portanto, a erros de transmissão de dados. O uso de CIs de estrutura TTLSH mais avançados (série KR1533) não resolve o problema, pois a tensão limite para eles não é muito maior e é de apenas 1,52 V em uma tensão de alimentação padrão [3]. Para compensar parcialmente o sinal refletido, filtros RC comuns (as chamadas cadeias de integração) são frequentemente usados, mas eles próprios introduzem distorções no sinal transmitido, aumentando artificialmente os tempos de subida e descida das frentes de sinal. Portanto, este método é ineficiente e, em última análise, apenas leva a um aumento na capacitância parasita total da linha, o que cria uma carga adicional nos chips tradutores de sinal no lado de transmissão da linha. Há outro problema associado ao uso de filtros RC. Com o aumento dos tempos de subida e descida das frentes de sinal, o tempo de “stay” do sinal de controle próximo ao nível de limiar “perigoso” da tensão de comutação do elemento lógico também aumenta, o que, por sua vez, leva a um aumento na probabilidade de falsa comutação do registro de saída sob a ação do sinal de ruído. No caso de utilização de microcircuitos da estrutura CMOS da série KR1564, as características de transferência simétrica proporcionam imunidade a ruídos no nível de 45% da tensão de alimentação, que está próximo do valor ideal (50%), e a imunidade a ruídos do sistema aumenta com o aumento da tensão de alimentação, uma vez que a amplitude do sinal transmitido aumenta.
A base de elementos moderna - microcircuitos CMOS de alta velocidade com alta capacidade de carga e máxima imunidade a ruído (sua tensão de comutação de limite é quase igual à metade da tensão de alimentação) - permite construir um SDU com uma interface serial, o comprimento das linhas de conexão dos quais, levando em consideração as seções que conectam os registros da guirlanda remota, pode chegar a 100 m mesmo usando um cabo de par trançado convencional (sem condutores blindados!). Além disso, poderosos elementos de buffer com gatilhos Schmitt do tipo KR1554TL2 são usados para traduzir os sinais na linha, cuja alta capacidade de carga permite o controle direto da carga capacitiva.
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 de recepção da linha ou a impedância de saída do driver no lado de transmissão resultará em múltiplas reflexões do sinal. Os tempos típicos de subida e descida dos microcircuitos da série KR1564 são inferiores a 5 ns, de modo que os efeitos de longas linhas incompatíveis começam a aparecer em um comprimento de linha de várias dezenas de 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 os tempos de subida e descida do sinal forem curtos o suficiente (ou seja, a inclinação for alta), a incompatibilidade entre a resistência de linha equivalente e a resistência de entrada do elemento lógico CMOS no receptor lado cria uma reflexão de sinal, cuja amplitude depende do valor instantâneo da tensão aplicada à entrada do elemento, e o coeficiente de reflexão, que, por sua vez, depende da resistência de linha equivalente e da resistência de entrada da lógica de entrada elemento. Como a impedância de entrada dos elementos dos microcircuitos da série KR1564 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. Esse sinal refletido se propaga ao longo da linha de volta ao transmissor, onde é refletido novamente, e o processo se repete até que o sinal seja completamente atenuado. A vantagem dos microcircuitos CMOS, devido à sua alta capacidade de carga (série KR1554), é a capacidade de controlar diretamente uma carga capacitiva. As características de transferência de corrente-tensão balanceadas (simétricas) dos elementos desses microcircuitos permitem obter quase os mesmos tempos de frente de subida e descida. Além disso, para transmitir sinais para a linha e receber, você pode usar elementos de buffer baseados em gatilhos Schmitt, que restauram uma forma estritamente retangular de um sinal distorcido e, assim, excluem o disparo falso de registros. Além disso, a presença de histerese na característica de transferência (em uma tensão de alimentação de 5 V para IS KR1564TL2, este valor é de aproximadamente 400 mV) cria uma margem adicional de imunidade a ruído [3]. Diagrama esquemático O dispositivo contém dois registradores conectados em paralelo. Um deles é um controle instalado na placa principal do dispositivo. LEDs são conectados às saídas de seus microcircuitos (DD18 - DD21), que proporcionam a observação visual do processo de programação. O segundo - o registro de saída (DD23, DD25, DD27, DD29) - é o controle da string de elementos remotos. Ambos os registradores funcionam de forma síncrona, mas apenas o primeiro deles participa do processo de programação. O controle do registro de saída e, portanto, o carregamento de dados nele, é realizado através das linhas de sinal da interface serial: "Data", "Synchronization" e "Indication enable". A terceira linha é auxiliar, este sinal desliga brevemente as saídas IC de todos os registros durante o carregamento da combinação atual, o que elimina o efeito de cintilação dos LEDs de baixa resposta. Assim, a grinalda de elementos remotos é conectada à placa principal do dispositivo (sem contar as blindagens (necessárias apenas para comprimentos de linha superiores a 10 m) que formam um par para cada condutor de sinal) com apenas quatro fios: "Dados" , "Sincronização", "Resolução de exibição" e "Geral". Devido ao uso de uma interface serial, tal construção do dispositivo permite aumentar o número de elementos leves com custos mínimos de hardware sem complicar significativamente o protocolo. Seu número máximo é limitado apenas pela imunidade a ruídos da linha de comunicação e pela capacidade de carga da fonte de alimentação. Com as classificações especificadas dos elementos de temporização C4R12 do gerador de relógio de RF montado nos elementos DD3.3, DD3.4, e ajustando o motor do resistor trimmer R13 para a posição correspondente à resistência máxima (que corresponde à frequência de o gerador de RF FT = 20 kHz) e a execução de linhas de condutores de sinal com pares de fios trançados, seu comprimento pode chegar a 100 metros. O dispositivo utiliza um IC de memória não volátil com apagamento elétrico (EEPROM) com capacidade de 16 Kbps (16384 bits) do tipo AT28C16-15PI. A quantidade de memória correspondente a uma combinação é de 32 bits. O ciclo completo da formação de um efeito de luz dinâmico, por exemplo, "fogo em execução" consiste em 32 combinações. Assim, a quantidade de memória ocupada por tal efeito é 32x32=1024 bits, portanto, o número máximo de efeitos desse tipo que podem ser escritos simultaneamente na EEPROM é 16384/1024=16. Deve-se levar em consideração que esse efeito é o que mais consome recursos, portanto, o número real de efeitos dinâmicos de luz que ocupam menos espaço de endereço EEPROM pode ser muito maior. Para obter ainda mais efeitos, com o mesmo número de elementos da guirlanda, a quantidade de memória pode ser aumentada, por exemplo, até 64 Kb substituindo o chip EEPROM por um AT28C64-15PI e aumentando a profundidade de bits do contador de endereços . O processo de programação é bastante simples e conveniente: é realizado pressionando sucessivamente três botões. A combinação dos elementos emissores de luz é definida pressionando sucessivamente dois botões: SB1 - "Record "0" e SB2 - "Record "1", que correspondem à introdução de LEDs de ligar e desligar na linha. A entrada de "zero" corresponde exatamente ao LED aceso, pois este nível aparece na saída correspondente do registrador. A combinação de LED escrita nos registradores é deslocada para a direita em um dígito imediatamente após o próximo pressionamento de qualquer um dos botões indicados. A combinação gerada é gravada na EEPROM com um simples toque no botão SB3 - "Salvando a combinação". Neste caso, uma sequência de pulsos é gerada automaticamente, na qual o estado atual do registro de controle é escrito na EEPROM. Ressalta-se que tal algoritmo de programação permite eliminar completamente possíveis erros que possam ser cometidos pelo usuário durante o processo de programação, pois não há necessidade de pressionar o botão SB3 imediatamente após inserir a combinação na barra de controle, e somente depois de certificar-se de que os botões SB1 e SB2 foram inseridos com a combinação correta - pressione SB3. Como funciona O diagrama de circuito elétrico de uma SDU programável autônoma de 32 canais é mostrado na fig. 1. O diagrama mostra claramente a conexão de um registro de saída, composto por 8 microcircuitos, usando três condutores de sinal da linha de conexão. Pode haver vários desses registradores de saída, que, quando conectados em paralelo, funcionarão de forma síncrona. Um condutor comum (não mostrado no diagrama) conectando o registro de saída e o fio comum da placa controladora principal também está incluído na linha de conexão e deve ser feito com um fio trançado com seção transversal de pelo menos 1 mm2. O dispositivo pode operar em dois modos: programação e leitura. (O diagrama mostra a posição da chave SA1 correspondente ao modo de reprodução). O modo de programação é ajustado na posição inferior (de acordo com o diagrama) da chave SA1. Este modo indica a inclusão do LED vermelho HL2. Ao mesmo tempo, a operação do gerador de baixa frequência de pulsos retangulares coletados nos elementos DD3.1, DD3.2 é bloqueada e um baixo nível lógico é formado na saída do elemento DD3.2 (pino 6). Pressionar sucessivamente os botões SB1, SB2 leva ao aparecimento de níveis lógicos "0" nas saídas "1Q" ou "2Q" do chip DD2, que contém 4 flip-flops RS independentes idênticos. O aparecimento de qualquer um desses níveis nas saídas de "1Q" ou "2Q", e portanto em uma das entradas do elemento DD1.2, leva à formação de um pulso positivo em sua saída e sua consequente limitação de duração pela cadeia de diferenciação C2R10. Como as entradas "S0", "S1" do multiplexador DD14 foram configuradas para "zeros" lógicos, suas saídas receberão informações das entradas "A0", "B0". Neste caso, qual nível será escrito no primeiro dígito dos registros DD18, DD23 depende do botão pressionado SB1 ou SB2. Ao pressionar SB1, um zero lógico será escrito, ao pressionar SB2, uma unidade lógica. Após introduzir a combinação na linha de controle dos LEDs HL12-HL43 e, portanto, nos registros de controle DD18-DD21, pressione o botão SB3. Isso inicia um ciclo de gravação da combinação atual na EEPROM, consistindo em 4 ciclos. Em cada ciclo, o conteúdo do registrador DD16 é escrito no registrador buffer DD21, ele é sobrescrito na EEPROM, as informações contidas nos registradores de controle DD18-DD21 são deslocadas para a direita em 8 bits e o conteúdo do registrador DD21 é escrito no registrador DD18. registrar DD4. Assim, ao final do 4º ciclo, o conteúdo de todos os XNUMX CIs do registrador de controle será escrito na EEPROM com atualização simultânea de seu estado. Quando o botão SB3 é pressionado, um pulso positivo é gerado na saída "3Q" do terceiro flip-flop RS do IC DD2, com duração igual ao tempo em que o botão foi pressionado. Este pulso, após ser invertido pelo elemento DD4.1 e limitado em duração pela cadeia de diferenciação C3R11, coloca o 4º flip-flop RS do IC DD2 em um único estado. A unidade lógica de sua saída "4Q" (pino 13) habilita a operação do gerador de RF, feito nos elementos DD3.3, DD3.4 e ao mesmo tempo proíbe a indicação da combinação luz-dinâmica atual contida no registradores de controle e saída. Isso é necessário para eliminar o efeito de cintilação dos LEDs de ação rápida durante o carregamento de uma nova combinação. Além disso, este nível afeta as entradas dos elementos lógicos DD11.1, DD11.2 e provoca o aparecimento do último deles na saída do nível lógico "1", o que afeta a entrada "S0" (pino 14) do o multiplexador DD14 e permite a passagem para as saídas (pinos 7 e 9) de informações de suas respectivas entradas "A1", "B1". Como no momento da energização o circuito para redefinir os contadores DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1 está funcionando, então no momento inicial do primeiro dos 4 ciclos do ciclo de gravação nas saídas "0" (pinos 3) dos contadores DD6, níveis de unidade lógica DD7 são formados. A queda negativa do primeiro pulso de polaridade positiva na entrada "CP" (pino 13) do contador DD6 levará ao aparecimento de um nível de unidade lógica na saída "1" (pino 2), e consequentemente o nível " 1" na saída do elemento DD5.2. Este nível, "passando" pelo inferior, conforme o esquema, multiplexador DD14 e invertido pelo gatilho Schmitt DD17.3, afeta as entradas da porta "C" (pinos 12) dos registros de controle DD18-DD21 (veja o diagrama em Fig. 2: diferença negativa "CLK1"). Este nível lógico na saída do elemento DD5.2 permanecerá até o decaimento do terceiro pulso na entrada "CP" do contador DD6 (ver diagrama na Fig. 2: queda positiva (frente) "CLK1"). Durante este período de tempo, entre as recessões do 1º e 2º pulsos, será gerado um pulso negativo na saída do inversor DD4.4 (ver diagrama na Fig. 2: "CLK2"). Este pulso, após repetir o multiplexador do circuito superior, que faz parte do IC DD15, escreverá no registrador buffer DD16 um bit de informação da saída "PR" (pino 17) do último bit do registrador de controle DD21. O flanco positivo do pulso na saída do inversor DD4.4 coincide no tempo com o decaimento do 2º pulso na entrada "CP" do contador DD6 (veja o diagrama na Fig. 2: frente "CLK2"). Na queda do 3º pulso na entrada "CP" do contador DD6, uma queda positiva ("CLK5.2") será formada na saída do elemento DD1, que, após repetir o multiplexador DD14 IC inferior no circuito e invertendo o gatilho Schmitt DD17.3, gravará um bit de informação da saída "PR" do último bit do registro de controle DD21 para o primeiro bit do registro DD18. Os poderosos gatilhos Schmitt DD17.1 e DD17.2 (incluídos no IC KR1554 TL2) são introduzidos no dispositivo para operação direta em uma linha com carga capacitiva, bem como para evitar que o sinal refletido da linha entre nas entradas de os registros de controle, separando as cadeias de sinal correspondentes. O procedimento descrito é repetido 8 vezes até que o registro de buffer DD16 seja preenchido e o conteúdo do registro DD21 seja reescrito no registro DD18. Após a conclusão do 8º pulso de sincronização negativo na entrada "C" do registrador buffer (veja o diagrama na Fig. 2: frente "CLK2"), o estado atual do registrador DD16 será totalmente reescrito no registrador DD21. Isso acontecerá no declínio do 58º pulso no contador de entrada "CP" DD6. Neste declínio, o contador DD6 irá para o 3º estado. Como a essa altura o contador DD7 já estava no 7º estado, dois sinais do nível de uma unidade lógica chegando às entradas do elemento DD12.1 farão com que um nível lógico zero apareça em sua saída. Assim, um pulso negativo ("CS", ver Fig. 12.1) será gerado na saída do elemento DD2, igual em duração ao período de repetição de pulso do gerador de RF feito nos elementos DD3.3, DD3.4. 15. Depois de "passar" pelo inferior, de acordo com o esquema, multiplexador IC DD0 (lembre-se que sua entrada "S1" está definida para o nível "zero" definido pelo switch SA15), este pulso negativo amostra o chip IC EEPROM DD8 na entrada "CS" ("Chip Select" - "Crystal Select") e, assim, produz um registro paralelo de 16 bits de informação gerada nas saídas do registrador de buffer DD0 no endereço definido nas entradas A10-A13 da EEPROM DDXNUMX . O controle visual do preenchimento do espaço de endereçamento do IC EEPROM DD13 é realizado por uma linha de LEDs HL3 - HL11, exibindo o endereço atual dos contadores binários DD8.1, DD8.2, DD9.1. Os primeiros seis LEDs verdes HL3-HL9 indicam o preenchimento dos primeiros 25% do espaço de endereçamento, amarelo HL10 em combinação com verde - de 25 a 50%, vermelho HL11 em combinação com amarelo e verde - de 50 a 100%. A iluminação simultânea de todos os LEDs no modo de gravação indica que todo o espaço de endereço da EEPROM está cheio, exceto as células nos últimos quatro endereços. Após o registro da combinação dinâmica dos últimos quatro endereços, os contadores DD8.1, DD8.2 são zerados e DD9.1 ao oitavo, o que é acompanhado pela extinção dos LEDs HL3-HL11. Todas as linhas de endereço são definidas para níveis "zero". Neste caso, a gravação do programa pode ser repetida. O modo de leitura é ajustado colocando o interruptor SA1 na posição superior, conforme o diagrama, que corresponde ao acendimento do LED verde HL1. O dispositivo pode ser comutado para este modo a qualquer momento, mesmo sem completar a programação de todo o espaço de endereço EEPROM. Neste caso, o programa gravado anteriormente nos endereços será reproduzido do endereço atual até o final do espaço de endereçamento, e então o ciclo de reprodução do programa continuará, iniciando no endereço zero da EEPROM. Se o modo de leitura for definido antes de ligar, o circuito de reset montado nos elementos C6R15, DD1.3, DD1.4, DD5.1 irá definir os contadores DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1. 1 a zero. Neste modo, o nível de uma unidade lógica da esquerda, conforme o esquema, a saída da chave SA3.1 permitirá a operação do gerador de baixa frequência, feito nos elementos DD3.2, DD10 com uma frequência de cerca de 3.2Hz. Pulsos de polaridade positiva da saída do elemento DD4.1, após serem invertidos pelo elemento DD3 e limitando a duração da cadeia de diferenciação C11R4, farão com que o 2º flip-flop RS do IC DD6 seja configurado para um único estado. Neste modo, o declínio do primeiro pulso positivo na entrada "CP" do contador DD10.1 colocará este último em um único estado, o que levará à comutação para o estado zero do elemento DDXNUMX. O nível de zero lógico de sua saída, sendo invertido pelo elemento DD10.2, afeta a entrada do elemento DD11.4 e, juntamente com o nível de "um" que chega à segunda entrada deste elemento, também define o nível "1" em sua saída. Este nível fará com que as saídas do registrador de buffer DD16 mudem para o terceiro estado - agora elas se tornaram entradas (veja o diagrama na Fig. 2: frente "SL"). No declínio do segundo pulso na entrada "CP" do contador DD6 em sua saída "2" (pino 4) existe um nível lógico "1", que traduz o elemento DD5.3 em um único estado. Um nível de unidade de sua saída afeta a entrada do elemento DD12.3 e, em combinação com o nível de uma unidade lógica que chega à segunda entrada desse elemento, definirá um nível lógico zero em sua saída. Este nível lógico, atuando na entrada "OE" ("Output Enable" - "Enable Outputs") da EEPROM IC DD13, leva a chavear suas saídas para o estado ativo (ver diagrama na Fig. 2: declínio "OE") , bem como, "passando" pelo inferior, de acordo com o esquema, multiplexador DD15 (já que sua entrada "S0" está agora configurada para o nível "1"), leva à seleção da EEPROM IC DD13, na entrada " CS". Nas saídas "D0" - "D7" da EEPROM, os dados aparecem escritos no endereço atual configurado nas entradas de endereço "A0" - "A10". Ao mesmo tempo, no declínio do segundo pulso na entrada "CP" do contador DD6, começa a formação de um pulso negativo de escrita paralela no registro de buffer DD16 (veja o diagrama na Fig. 2: o primeiro declínio " CLK2"). Este pulso é gerado na saída do elemento DD11.3 no início de cada um dos 4 ciclos do ciclo de leitura, ou seja, antes da formação de cada um dos 8 pulsos de clock ("CLK1") dos registradores de controle e saída. A formação de um pulso de escrita paralelo para o registrador de buffer DD16 (veja o diagrama na Fig. 2: a primeira borda de "CLK2") será completada pelo decaimento do terceiro pulso na entrada do contador "CP" DD6. No declínio do quarto pulso na entrada "CP" do contador DD6, o elemento DD12.3 passará ao estado de uma unidade lógica, que por sua vez transferirá as saídas do IC EEPROM DD13 para o terceiro (alto -resistência) (veja o diagrama na Fig. 2: frente "OE" ). A queda do quinto pulso na entrada "CP" do contador DD6 mudará as saídas do registrador de buffer DD16 para o estado ativo (veja diagrama na Fig. 2: declinar "SL"). A separação temporal dos momentos de ativação e desativação dos estágios de saída do registrador buffer DD16 e EEPROM DD13 é necessária para o correto funcionamento coordenado dos estágios de saída desses microcircuitos. Como pode ser visto no diagrama de temporização do modo de leitura (ver Fig. 2), primeiro as saídas "D0" - "D7" da EEPROM DD13 são desligadas, então, após 1 ciclo do gerador de RF, as saídas "1" - "8" do registro de buffer são ativados no DD16. Após mais 2 ciclos, as saídas DD16 são desligadas e, após mais 1 ciclo, - agora, as saídas DD13 são ligadas. No declínio do 6º pulso na entrada "CP" do contador DD6, inicia-se a formação simultânea de pulsos de leitura ("CLK2") do registro de buffer DD16 e escrita ("CLK1") nos registros de controle DD18-DD21 . A formação do pulso de escrita (veja o diagrama na Fig. 2: a frente "CLK1") nos registradores DD18-DD21 terminará 1 ciclo antes do final da formação do pulso de leitura (veja o diagrama na Fig. 2: a segunda frente "CLK2") do registro de buffer DD16. Como resultado, o conteúdo do registrador buffer DD16 será reescrito no registrador DD18, e o conteúdo deste último será reescrito sequencialmente no registrador DD19, e assim por diante. Após a conclusão do ciclo de leitura da combinação atual, uma queda negativa é formada na saída "2" (pino 4) do contador DD8.1, que, após limitar a duração pela cadeia RC C5R14 diferenciada e invertendo o elemento DD1.3 .6, leva a zerar os contadores DD7, DD4 e definir o estado zero do 2º RS-flip-flop IC DD3.3. Um baixo nível lógico de sua saída leva ao bloqueio da operação do gerador de RF montado nos elementos DD3.4, DD3.4. A saída do elemento DD4 é definida para um nível constante de zero lógico. Ao mesmo tempo, o nível de "zero", da saída "13Q" (pino 2) do quarto DD18 RS-flip-flop, alterna as saídas do controle DD21-DD23 e os registros de saída DD25, DD27, DD29, DDXNUMX para o estado ativo e permite a indicação da combinação dinâmica de luz atual. Neste caso, uma combinação de códigos será fixada nas saídas dos registradores e, até a próxima queda de pulso positivo na saída do gerador de baixa frequência, será exibida na linha de LEDs. CONSTRUÇÃO E DETALHES. O controlador principal é montado em uma placa de circuito impresso com dimensões de 100x150 mm (Fig. 3), e os registros de saída - 25x80 mm (Fig. 4) feitos de folha de fibra de vidro de 1,5 mm de espessura com metalização dupla face. Os desenhos de PCB foram desenvolvidos para desenho à mão livre, o que deve facilitar sua fabricação em laboratório de radioamador. As conexões mostradas com uma linha tracejada são feitas com um isolamento de fio trançado fino. O dispositivo usa resistores fixos do tipo MLT-0,125, variáveis - SP3-38b, capacitores K10-17 (C1-C6, C8), K50-35 (C7, C9-C16); LEDs - super brilhantes, quatro cores, na placa controladora principal - 3 mm de diâmetro e em uma guirlanda remota - tipo KIPM-10 de 15 mm, colocados em sequência alternada. É claro que também são possíveis outras combinações de elementos emissores de luz. Para controlar uma carga mais potente, por exemplo, lâmpadas incandescentes ou guirlandas de LEDs conectados em paralelo, os registradores de saída devem ser complementados com interruptores de transistor ou triac. Diodo de proteção VD1 e desacoplamento (VD2, VD3) pode ser qualquer silício de média potência. Os botões SB1-SB3, tipo KM1-1, e uma chave, tipo MT-1, são soldados diretamente na placa controladora. Para eles, são fornecidos orifícios da configuração correspondente. Os microcircuitos de registro de saída (DD22-DD29, veja a Fig. 5), que controlam a guirlanda remota de elementos de luz, conforme observado acima, são conectados à placa controladora principal com pares trançados de fios. A sua inclusão (levando em consideração disparadores Schmitt de inversão adicionais) é semelhante ao IC DD18-DD21 do registro de controle (veja a Fig. 1), mas os dados da saída de transferência "PR" do último IC DD29 do registro de saída são não utilizado, pois o registrador de saída só funciona no modo de recebimento (download mas não leitura) de informações. A guirlanda remota de elementos de luz, bem como o controlador principal, é alimentado por uma fonte estabilizada separada de 12 V. A corrente consumida pelo dispositivo não excede 600 mA (este é o valor de pico quando todos os LEDs estão acesos ao mesmo tempo ), e ao usar o IC KR1533IR24, não excede 750 mA . Portanto, a fonte de alimentação deve ter uma capacidade de carga adequada. Recomenda-se a utilização de uma fonte de alimentação com corrente de carga mínima de pelo menos 1A, especialmente para alimentação de registros de saída (remotos). Isso reduzirá a amplitude do sinal de interferência induzido através do circuito de potência para os circuitos de sinal dos microcircuitos de registro. Conforme mencionado anteriormente, os dados no registro de saída (DD23, DD25, DD27, DD29) são transmitidos através das linhas de sinal da interface serial: "Dados" e "Sincronização". Deve-se notar que os elementos do microcircuito KR1554 TL2 (74AC14), e não o KR1564 TL2 (74HC14), são usados como tradutores de buffer na placa controladora principal, pois apenas o primeiro deles é capaz de fornecer uma grande corrente de saída (até 24 mA) e controlam diretamente a carga capacitiva. Com um comprimento de linha curto (até 10 m), a frequência de pulso do relógio é ajustada para o máximo (100 kHz) e o controle deslizante do resistor de ajuste R13 é ajustado para a posição correspondente à resistência mínima. Com um aumento significativo no comprimento da linha (mais de 10 m), a amplitude do sinal de interferência induzida nas linhas de sinal por condutores adjacentes aumenta. Se a amplitude da interferência exceder o limite de tensão de comutação dos gatilhos Schmitt de entrada (levando em consideração a histerese), pode ocorrer uma falha de comunicação. Para evitar tal situação, quando o controlador estiver operando em uma linha relativamente longa (de 10 a 100 m), pode ser necessário reduzir ligeiramente a frequência do gerador de RF com o resistor R13. Nesse caso, a velocidade de carregamento das combinações dinâmicas de luz diminuirá, mas não haverá diferença visual na operação do dispositivo, pois o efeito da cintilação do LED é completamente mascarado pelo sinal "Ativar indicação". Mesmo com a frequência mais baixa possível do gerador de RF (20 kHz), o tempo máximo de atualização da combinação de luz dinâmica será de 400 µs x 32 pulsos = 12800 µs (12,8 ms), o que corresponde a uma taxa de atualização de cerca de 78 Hz. Esta frequência está próxima do valor ergonômico de 85 Hz. Os registros DD16, DD18-DD21 do tipo KR1564IR24 (análogo direto de 74HC299) usados na placa controladora principal podem ser substituídos por KR1554IR24 (74AC299) e, em casos extremos, KR1533IR24. Como os microcircuitos KR1533IR24 (SN74ALS299) são da estrutura TTLSH e consomem uma corrente bastante grande mesmo em modo estático (cerca de 35 mA), é recomendável usar microcircuitos CMOS do tipo KR1564IR24 (74HC299) em registros remotos (saída). Na placa controladora principal é possível utilizar registradores de qualquer série KR1554, KR1564 ou KR1533. Se não houver EEPROM AT28C16-15PI, você pode usar o tipo estático RAM KR537RU10 (RU25). Neste caso, se houver necessidade de armazenamento de longo prazo do programa de controle, é necessário usar uma fonte de alimentação de backup com tensão de 3V, composta por dois elementos do tipo LR03 (AAA), que é ligado através de um diodo de desacoplamento de germânio do tipo D9B, conforme mostrado em [1]. O estabilizador integral DA1 (KR142EN5B), com os resistores limitadores de corrente R17-R59 indicados no diagrama, não precisa de um radiador, mas se os LEDs super brilhantes não estiverem disponíveis, você pode usar o brilho padrão comum. Ao mesmo tempo, os valores dos resistores R17-R59 devem ser reduzidos de três a quatro vezes, e o estabilizador deve ser instalado em um radiador com área de pelo menos 100 cm2. A tensão de alimentação da placa controladora principal e dos registros de saída pode ser selecionada na faixa de 9-15V, mas à medida que aumenta, deve-se lembrar que a potência dissipada nos CIs estabilizadores aumenta proporcionalmente à tensão que cai sobre eles . A frequência de comutação das combinações dinâmicas de luz pode ser alterada ajustando o resistor R9, e a velocidade de download, ao trabalhar em linhas muito longas, é R13. Técnica de programação A preparação do dispositivo para operação consiste em inserir combinações dinâmicas de luz na memória EEPROM usando os botões SB1-SB3. Uma opção alternativa também é possível: escrever um programa de controle gerado, por exemplo, de acordo com o método descrito em [4], usando um programador padrão, e então instalar o EEPROM IC em um soquete pré-soldado na placa do dispositivo. Como exemplo, considere programar o efeito "fogo correndo". Vamos supor que a energia foi desligada antes da programação. Exemplo 1. Efeito "Running Fire". Ligue a energia. Os LEDs HL3-HL11 não devem acender (medidores DD8.1, DD8.2, DD9.1 - no estado zero). O modo de programação é indicado pelo LED vermelho HL2. Pressione o botão SB1 uma vez. Controle a ativação do LED HL12. Pressione o botão SB3 uma vez. (Isto gravará a combinação atual com uma atualização simultânea do conteúdo dos registros de controle DD18-DD21). Pressione o botão SB2 uma vez. Controle a extinção do LED HL12 e a inclusão do HL13. Pressione o botão SB3 uma vez. Pressione o botão SB2 uma vez. Controle a extinção do LED HL13 e a inclusão do HL14. Pressione o botão SB3 uma vez. Repita até que o LED iluminado passe por todas as posições. Durante a programação, pressionar o botão SB3 é acompanhado por uma mudança nas combinações de códigos binários nas saídas dos contadores DD8.1, DD8.2, DD9.1, que são exibidos pela linha de LED HL3-HL11. Outro exemplo de programação do efeito "traveling shadow" é considerado em [1]. Como mencionado anteriormente, o dispositivo tem o potencial de aumentar o número de elementos leves. Devido a isso, o dispositivo pode ser usado, por exemplo, como controlador de um display de iluminação. O número de elementos de guirlanda pode chegar a várias dezenas (é conveniente aumentá-los por um múltiplo de oito) sem uma alteração significativa no protocolo de interface serial. Só é necessário definir o número necessário de registros de controle e saída e alterar o número de pulsos de clock de acordo. Naturalmente, é necessário levar em consideração a mudança na faixa de endereços da EEPROM correspondente a uma combinação de luz dinâmica. Se você precisar controlar uma guirlanda com mais de cem elementos, deverá usar registros de buffer adicionais. Neste caso, a transferência de dados para os registradores do buffer será realizada em uma frequência de clock menor, e os dados serão reescritos nos registradores de saída conectados às suas saídas após o ciclo de transferência de dados para os buffers. Isso permitirá que você transfira grandes pacotes de dados pelas linhas da interface serial diretamente no momento da exibição da combinação dinâmica de luz atual. Naturalmente, isso exigirá alguma complicação do protocolo. Para todas as questões relacionadas à implementação de uma interface serial em dispositivos de luz dinâmica, você pode obter conselhos enviando uma solicitação para o endereço de e-mail do autor indicado no início do artigo. Literatura:
Autor: Odinets Alexander Leonidovich, Electronic_DesignArt@tut.by, Minsk, Belarus
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