Программируемое 32-канальное светодинамическое устройство с последовательным интерфейсом

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Цветомузыка

Опубликовано: 26.03.2017 08:31

Просмотров: 4222

А.Л. Одинец г. Минск
Устройство является усовершенствованной и расширенной версией программируемого 16-канального светодинамического устройства (СДУ) с последовательным интерфейсом (версии 1.0) [1] и позволяет управлять удвоенным числом (32) световых элементов. Устройство полностью автономно, содержит встроенный программатор светодинамических эффектов и не требует для работы каких-либо дополнительных устройств, в частности компьютера.

Применение интегральной микросхемы (ИМС] памяти типа ЭСППЗУ позволяет длительно хранить управляющую программу без использования источника резервного питания.
Устройство содержит два параллельно включенных регистра (рис.1).
 
 Один из них контрольный, установленный на основной плате устройства. К выходам его микросхем DD21-DD24 подключены светодиоды, по которым производится визуальное наблюдение процесса программирования. Второй -выходной регистр DD25-DD28, является управляющим для гирлянды выносных элементов. Оба регистра работают синхронно, но в процессе программирования участвует только первый из них. Управление выходным регистром и загрузка в него данных осуществляются по сигнальным линиям последовательного интерфейса: "Data" (даиные) и "Clock" (сигнал синхронизации). Третья линия - "Enable" (разрешение индикации) - вспомогательная. Этот сигнал кратковременно отключает выходы ИМС всех регистров на время загрузки текущей комбинации, что исключает эффект мерцания малоинерционных светодиодов. Таким образом, гирлянда выносных элементов подключается к основной плате устройства (не считая экранирующих, составляющих пару каждому сигнальному проводнику, кроме "общего" и "питания") всего пятью проводами: "Data", "Clock", "Enable", "Питание +5 В", "Общий".
Благодаря применению последовательного интерфейса, такое построение устройства позволяет наращивать количество световых элементов с минимальными аппаратными затратами без существенного усложнения протокола. Максимальное их количество ограничено только помехоустойчивостью линии связи и выходной мощностью источника питания. При указанных номиналах времязадающих элементов C4R11 тактового ВЧ-генератора, собранного на элементах DD3.3, DD3.4, и выполнении сигнальных проводников линии витыми парами проводов ее длина может достигать 10 м.
В устройстве использовано ЭСППЗУ объемом 16 Кбит (16384 бита) типа AT28C16-15PI. Объем памяти, соответствующий одной комбинации, составляет 32 бита. Полный цикл формирования светодинамического эффекта, например, "бегущего огня" состоит из 32 комбинаций. Таким образом, объем памяти, занимаемый таким эффектом, составляет 32-32=1024 бита, следовательно, максимальное количество эффектов этого типа, которые одновременно могут быть загружены в ЭСППЗУ, составляет 16384/1024=16.
Следует учитывать, что данный эффект является самым ресурсоемким, поэтому реальное количество свето-динамических эффектов, которые занимают меньше адресного пространства ЭСППЗУ, может быть значительно большим. Для получения еще большего количества эффектов, при неизменном числе элементов гирлянды, объем памяти может быть увеличен, к примеру, до 64 Кбит заменой ИМС ЭСППЗУ ИМС АТ28С64-15PI и увеличением разрядности адресного счетчика.
Процесс программирования достаточно прост и удобен: он производится последовательным нажатием трех кнопок. Задание комбинации светоизлучающих элементов производится последовательным нажатием двух кнопок: SB 1 - «Запись "I"» и SB2 - «Запись "0"», которым соответствуют выключенный и включенный светодиоды. Светодиодная комбинация, записываемая в регистры, сдвигается вправо на один разряд непосредственно после очередного нажатия любой из указанных кнопок. Запись в ЭСППЗУ сформированной комбинации производится по однократному нажатию кнопки SB3 - "Сохранение комбинации" При этом автоматически формируется последовательность импульсов, при которой происходит запись в ЭСППЗУ текущего состояния контрольного регистра.
Принцип работы. Устройство может работать в двух режимах: программирования и считывания. Режим программирования устанавливается в замкнутом положении переключателя SA1. При этом блокируется работа генератора прямоугольных импульсов на элементах DD3.1, DD3.2, и на выходе элемента DD3.2 формируется низкий логический уровень. Последовательное нажатие кнопок SB I, SB2 вызывает появление уровней лог "1" на выходах Q1 или Q2 RS-триггера DD1. Каждый из этих уровней приводит к формированию короткого отрицательного импульса на выходе элемента DD2.2 благодаря переключению элемента DD4.2 в единичное состояние и ограничению длительности импульса дифференцирующей цепочкой C3R10. Поскольку на входах А1, А2 мультиплексора DD17 были установлены лог."0", то на его выходы поступит информация с входов X1, Y1. То, какой уровень будет записан в первый разряд регистра DD21, зависит от нажатой кнопки SB1 или SB2. При нажатии SB1 будет записана лог."1", при нажатии SB2 - лог."0".
После записи комбинации в контрольные регистры DD21-DD24 нажимают кнопку SB3. При этом инициируется цикл записи в ЭСППЗУ, состоящий из 4 тактов. В каждом такте производится запись в буферный регистр DD19 содержимого регистра DD24, перезапись его в ЭСППЗУ, сдвиг информации вправо на 8 разрядов и запись содержимого регистра DD24 в регистр DD21. Таким образом, по завершению 4-го такта, в ЭСППЗУ будет записано содержимое всех 4 ИМС контрольного регистра с одновременным обновлением их состояния.
При нажатии кнопки SB3 на выходе Q3 третьего RS-триггера ИМС DD1 формируется положительный импульс, равный по длительности времени нажатия кнопки. Этот импульс, после инвертирования элементом DD4.3, ограничения длительности дифференцирующей цепочкой C2R9 и повторного инвертирования элементом DD2.1, устанавливает 4-й RS-триггер ИМС DD1 в нулевое состояние. Лог."0" с его выхода после инвертирования элементом DD5.1 разрешает работу генератора на элементах DD3.3, DD3.4 и одновременно запрещает индикацию текущей свето-динамической комбинации, содержащейся в контрольном и выходном регистрах. Это необходимо для устранения эффекта мерцания светодиодов в процессе загрузки новой комбинации. Также этот уровень разрешает работу логических элементов DD 16.1, DD16.3 и вызывает появление на выходе последнего из них уровня лог"0" который, инвертируясь элементом DD16.4, воздействует на вход Al DD17 и вызывает прохождение на выходы мультиплексора информации с его соответствующих входов Х2, Y2. Поскольку в момент включения питания отрабатывает схема обнуления счетчиков DD7-DD10, в начальный момент времени первого из 4 тактов цикла записи на выходах "О" счетчиков DD7, DD8 формируются уровни лог"1".
Спад первого импульса положительной полярности на входе СР (вывод 13) счетчика DD7 приведет к появлению на выходе "1" (вывод 2) уровня лог."1", а значит, и уровня лог."0" на выходе элемента DD11.1 (см. диаграмму на рис.2: спад "С1").
 
 Этот логический уровень на выходе элемента DD11.1 сохранится до момента спада третьего импульса на входе СР счетчика DD7 (см. диаграмму на рис.2: фронт "С1"). В этот период времени, между спадами 1 -го и 3-го импульсов, на выходе инвертора DD5.5 будет сформирован отрицательный импульс (см. диаграмму на рис.2: //С2//). Этот импульс, после повторения верхним по схеме мультиплексором, входящим в состав ИМС DD18, произведет запись в буферный регистр одного бита информации с выхода PR последнего разряда контрольного регистра DD24. Положительный перепад импульса на выходе инвертора DD5.5 совпадает по времени со спадом 2-го
импульса на входе СР счетчика DD7 (см. диаграмму на рис.2: фронт //С2//). По спаду 3-го импульса на входе СР счетчика DD7 на выходе элемента DD11.1 будет сформирован положительный перепад ("С1"), который после повторения нижним по схеме мультиплексором ИМС DD17, прохождения RC-фильтра C8R26 и триггеров Шмит-та DD20.3, DD20.4 произведет запись одного бита информации с выхода PR последнего разряда регистра DD24 в первый разряд регистра DD21. RC-фильтры C7R25, C8R26 и триггеры Шмитта DD20.1 -DD20.4 введены в устройство для предотвращения попадания в линию импульсных помех из цепи питания через выходы ИМС мультиплексора DD17.
Описанная процедура повторяется 8 раз до момента заполнения буферного регистра DD19 и перезаписи содержимого регистра DD24 в регистр DD21. По завершению 8-го отрицательного импульса на входе С (см. диаграмму на рис.2: фронт //С2//), в регистр DD19 будет полностью переписано текущее состояние регистра DD24. Это произойдет по спаду 58-го импульса на входе СР счетчика DD7. По этому спаду счетчик DD7 перейдет в 3-е состояние. Поскольку к этому времени счетчик DD8 уже был в 7-м состоянии, два сигнала уровня лог"1", приходящие на входы элемента DD13.1, вызовут появление на его выходе уровня лог."0". Таким образом, на выходе элемента DD13.1 будет сформирован отрицательный импульс ("CS"), равный по длительности периоду следования импульсов задающего генератора на элементах DD3.3, DD3.4.
После прохождения через нижний по схеме мультиплексор ИМС DD18 этот отрицательный импульс осуществляет выборку ИМС ЭСППЗУ DD15 по входу CS и тем самым производит параллельную запись 8 бит информации, сформированных на выходах буферного регистра DD19, по адресу, установленному на входах А0-А10 ЭСППЗУ DD15.
Контроль заполнения адресного пространства ИМС ЭСППЗУ DD15 производят по линейке светодиодов HL1-HL9, отображающих текущий адрес двоичных счетчиков DD9, DD10. Одновременное свечение всех светодиодов в режиме записи указывает на заполнение всего адресного пространства ЭСППЗУ, кроме ячеек по четырем последним адресам. После записи светодинамической комбинации по четырем последним адресам счетчики DD10, DD11 устанавливаются в нулевое состояние, что сопровождается погасанием светодиодов. При этом запись программы может быть произведена повторно.
При установке переключателя SA1 в разомкнутое положение устанавливается режим чтения. При включении питания схема сброса C6R13, DD2.4, DD6.1, DD6.2 установит в нулевое состояние счетчики DD7-DD10. Поскольку подтягивающий резистор R15 в этом режиме не замыкается на общий провод, высокий логический уровень, сформированный на его левом, по схеме, выводе, разрешит работу генератора DD3.1, DD3.2. Импульсы с частотой в несколько герц с выхода элемента DD3.2, после инвертирования элементом DD4.3 и ограничения длительности дифференцирующей цепочкой C2R9, вызовут установку в нулевое состояние 4-го RS-триггера DD1. В этом режиме спад первого импульса на входе СР счетчика DD7 переведет его в единичное состояние, что приведет к переключению в нулевое состояние элемента DD12.1. Уровень лог."0" с его выхода, инвертируясь элементом DD12.2, воздействует на вход элемента DD14.2 и совместно с уровнем, приходящим на второй вход этого элемента, устанавливает его в нулевое состояние. Инвертирование уровня "нуля" элементом DD14.4 приведет к переключению выходов буферного регистра DD19 в высокоимпедансное состояние, - теперь они стали входами (см. диаграмму на рис.2: фронт "SL").
По спаду второго импульса на входе СР счетчика DD7 на его выходе 2 (вывод 4) появляется уровень лог”1”, который переводит элемент DD11.2 в нулевое состояние, а элемент DD14.1 -в единичное. Единичный уровень с выхода этого элемента воздействует на вход элемента DD14.3 и в сочетании с уровнем лог"1", приходящей на второй вход этого элемента, установит на его выходе уровень лог."0". Этот логический уровень, воздействуя на вход ОЕ ИМС ЭСППЗУ DD15 приводит к переключению выходов в активное состояние (см. диаграмму на рис. 2: спад "ОЕ"), а также, проходя через нижний по схеме мультиплексор DD18 (поскольку на его входе А1 установлен уровень лог."1"), приводит к выбору ИМС ЭСППЗУ DD15, воздействуя на вход CS. На выходе ЭСППЗУ появляются данные, записанные по текущему адресу, установленному в данный момент на адресных входах.
Одновременно, по спаду второго импульса на входе СР счетчика DD7, начинается формирование отрицательного импульса параллельной записи в регистр DD19 (см. диаграмму на рис.2: первый спад "С2"). Этот импульс формируется на выходе элемента DD13.4 в начале каждого из 4 тактов цикла чтения, т.е. перед началом формирования каждого из 8 импульсов синхронизации ("С1") контрольного и выходного регистров. Формирование импульса параллельной записи в буферный регистр DD19 (см. диаграмму на рис.2: первый фронт "С2") завершится по спаду третьего импульса на входе СР счетчика DD7. По спаду четвертого импульса на входе СР счетчика DD7 элемент DD14.3 переключится в состояние лог"1", что, в свою очередь, переведет выходы ИМС ЭСППЗУ DD15 в высокоомное состояние (см. диаграмму на рис.2: фронт "ОЕ").
Спад пятого импульса на входе СР счетчика DD7 приведет к переключению выходов буферного регистра DD19 в активное состояние (см. диаграмму на рис.2: спад "SL"). По спаду 6-го импульса на входе СР счетчика DD7 начинается одновременное формирование импульсов чтения ("С2") буферного регистра DD19 и записи ("С1") в контрольные регистры DD21-DD24. Формирование импульса записи (см. диаграмму на рис.2: фронт "С1") в регистры DD21-DD24 закончится на один такт ранее окончания формирования импульса чтения (см. диаграмму на рис.2: второй фронт "С2") буферного регистра DD19. В результате, содержимое буферного регистра DD19 переписывается в регистр DD21, а содержимое последнего одновременно переписывается в регистр DD22 и т.д.
После завершения цикла чтения на выходе 2 счетчика DD9.1 формируется отрицательный перепад, который, после ограничения длительности дифференцирующей RC-цепочкой C5R12 и инвертирования элементом DD2.3, приводит к обнулению счетчиков DD7, DD8 и установке в единичное состояние 4-го RS-триггера ИМС DD1. Высокий уровень с его выхода, после инвертирования элементом DD5.1, приводит к блокировке работы генератора на элементах DD3.3, DD3.4. На его выходе устанавливается постоянный уровень лог."0". Одновременно уровень "нуля" с выхода элемента DD5.3 переводит в активное состояние выходы регистров DD21-DD24, DD25-DD28 (на схеме не показаны) и разрешает индикацию светодинамической комбинации.
Конструкция и детали. Устройство собрано на печатной плате размерами 150x100 мм из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с двусторонней металлизацией (рис.3).

 При разработке топологии учитывались особенности ручного (не автоматизированного) нанесения рисунка, что должно облегчить изготовление печатной платы. Соединения, показанные штриховой линией, выполняются тонким многожильным проводом в изоляции после монтажа всех элементов. Проводники припаиваются непосредственно к выводам микросхем.
В устройстве использованы резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы К10-17 (С1-С8), К50-35 (С9-С20); светодиоды любые (03 мм), излучающие в видимом диапазоне, например, красного и зеленого цветов свечения, размещенные в чередующейся последовательности. Возможны, конечно, и другие варианты сочетания светоизлучающих элементов. Для управления лампами накаливания устройство необходимо дополнить симисторными ключами. Диод VD1 может быть любым кремниевым средней мощности, VD2 - обязательно германиевый (например, типа Д9Б): падение напряжения на нем должно быть минимальным; он предназначен для предотвращения разрядки конденсаторов С13, С14 через внешние цепи. Последние два устанавливаются голь/сопри использовании памяти ОЗУ статического типа (см. ниже по тексту). Все резисторы, за исключением R9, R11-R15, R25, R26 устанавливаются вертикально. Кнопки SB1-SB3 типа МП9 распаиваются непосредственно на плате контроллера. Для них предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации. Переключатель SA1 типа П2К.
Питание всех ИМС стандартное, кроме ИМС мультиплексоров DD17, DD18. Поскольку они коммутируют однополярный сигнал, то их входы отрицательного питания "Еп2" (выводы 7) подключены к общему проводу. Входы всех незадействованных элементов подключаются к шине "+Еп".
ИМС выходного регистра, управляющего выносной гирляндой, подключают к основной плате устройства витыми парами проводов. Их включение аналогично ИМС DD21-DD24 контрольного регистра (рис.1), но выход переноса "PR" последней ИМС DD28 выходного регистра остается свободным, поскольку он работает только в режиме последовательной записи в регистр (но не считывания из регистра) данных. Силовые проводники "Питание" и "Общий", входящие в состав линии, должны быть минимально возможного сопротивления и выполняться многожильным проводом сечением не менее 1 мм2. При значительном увеличении длины соединительной линии (более 10 м) сигнальные проводники необходимо выполнить экранированным кабелем.
Как упоминалось ранее, данные в выходной регистр (DD25-DD28) передаются по сигнальным линиям последовательного интерфейса: "Data" и "Clock". При небольшой длине линии частота синхронизирующих импульсов соответствует максимальному значению, задаваемому элементами С4, R11. При значительном увеличении длины линии (более 10 м) возрастают перекрестные помехи, которые могут привести к сбоям в передаче данных. Их компенсация достигается выполнением соединительной линии экранированными проводниками, как сказано выше, и снижением частоты тактового ВЧ-генератора на 30...50% посредством увеличения номиналов элементов С4, R11. Скорость загрузки светодинамических комбинаций при этом снизится на указанную величину, но визуального отличия в работе устройства при этом не будет, поскольку эффект мерцания светодиодов полностью маскируется сигналом "Enable". При значительном удалении гирлянды от основной платы контроллера (более 5 м) соответственно возрастет и падение напряжения в силовых проводниках линии. Большая амплитуда пульсаций тока неизбежно приведет к перекрестным помехам и значительному "зашумлению" полезного сигнала. В этом случае выносную гирлянду следует запитать от дополнительного стабилизированного источника напряжением 5 В. При этом "общий" сигнальный проводник, соединяющий выходные регистры и основную плату контроллера, должен быть минимально возможного сопротивления и выполняться многожильным проводом сечением 1 мм.
Замена деталей. Регистры DD19 DD21-DD24 типа КР1554ИР24 (прямой аналог 74АС299 используемые на основной плате контроллера, можно заменить 74НС299 (лучший вариант) или, в крайнем случае, КР1533ИР24. В последнем случае на месте ИМС DD20K561TЛ1 необходимо использовать КР1561ТЛ1, выходы которой обладают повышеной нагрузочной способностью. В устройстве проверена работоспособность ИМС КР1554ИР24 как на основной плате контроллера, так и в качестве регистров выносной гирлянды. Поскольку микросхемы КР1554ИР24 (74АС299) очень чувствительны к импульсным помехам, то в регистрах рекомендуется использовать ИМС 74НС299. По этой причине с целью обеспечения высокой помехоустойчивости устройства при работе на длинные линии связи (более 10 м) в условиях высокого уровня помех в выходном регистре рекомендуется использовать только ИМС 74HC299. ИMC DD2иDD3(но не DD20 типа 561ТЛ1 можно заменить К561ЛА7. ИМС DD9, DD10 типа 74НС393 можно, в крайнем случае, заменить КР1533ИЕ19. При отсутствии ЭСППЗУ AT28C16-15PI можно использовать ОЗУ статического типа КР537РУ10 или РУ25 (применяется в АОН). При этом совместно с конденсаторами С13, С14 используется источник резервного питания напряжением 3 В, состоящий из двух элементов типа LR03(AAA), который включают паралельно с ними через развязывающий германиевый диод Д9Б.
Ток, потребляемый устройством, не превышает 600 мА (это импульсное значение при одновременном свечении всех светодиодов), а при использовании ИМС КР15ЗЗИР24 - не более 900 мА. Поэтому источник питания должен обладать соответствующей нагрузочной способностью.
Интегральный стабилизатор DA1 KP142EH5A необходимо установить на радиатор площадью не менее 100см2 Напряжение питания устройства может быть увеличено вплоть до 15 В, но при этом следует помнить, что мощность, рассеиваемая на ИМС стабилизатора, возрастает пропорционально падающему на нем напряжению.
Частоту переключения светодинамических комбинаций можно изменять подстройкой резистора R8, а скорость загрузки комбинаций - подбором элементов С4, R11. Подготовка устройства к работе заключается в занесении светодинамических комбинаций в память ЭСППЗУ с помощью кнопок SB1-SB3. Возможен и альтернативный вариант: записать управляющую программу с помощью стандартного программатора, а затем установить ИМС ЭСППЗУ в панельку, предварительно распаянную на плате устройства. Устройство, собранное без ошибок, при указанных на схеме номиналах элементов не требует налаживания и работает сразу при включении.
Как упоминалось ранее, в устройстве заложена потенциальная возможность наращивания количества световых элементов. Благодаря этому, устройство может использоваться, например, в качестве контроллера светоинформационного табло. 
Для этого достаточно установить требуемое количество контрольных и выходных регистров и соответственно изменить число тактов цикла записи/считывания. Естественно, при этом изменится диапазон адресов, соответствующий одной светодинамической комбинации, и потребуется доработка протокола. По всем вопросам, касающимся реализации последовательного интерфейса в светодинамических устройствах, можно получить консультацию, отправив запрос на адрес электронной почты: e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..
РА 6,7'2005
Литература
1. Одинец А.Л. Программируемое СДУ с последовательным
интерфейсом//Радюаматор. - 2003. - №11. - С.26.