Одинец Александр Леонидович, г. Минск, Беларусь
E-mail: [email protected]
Аннотация
Программируемое светодинамическое устройство (СДУ) позволяет управлять независимо каждым из набора 16 световых элементов гирлянды по 3 соединительным линиям последовательного интерфейса. Такое построение СДУ позволяет наращивать число элементов с минимальными аппаратными затратами без увеличения числа проводников, входящих в жгут и располагать гирлянду световых элементов на большом удалении от основной платы контроллера. Специально разработанная программа виртуального симулятора («Light Effects Reader») позволяет эмулировать работу устройства на экране компьютера, что гарантирует от возможных ошибок, которые могут быть допущены пользователем при разработке управляющего программного кода.
Общие сведения
Программируемое 16-канальное СДУ, рассмотренное в данной статье позволяет управлять удаленным набором световых элементов по 3 линиям последовательного интерфейса (не считая «общего» провода), длина которых может достигать 100 м. В модернизированном варианте учтены все особенности работы контроллера на несогласованные линии большой длины, а применение КМОП микросхем серии КР1564 (а не К561) позволяет значительно упростить схемотехнические решения на передающей и приемной сторонах несогласованной длинной линии. Разнообразие светодинамических эффектов не ограничено и определяется только воображением пользователя. Количество светодинамических эффектов увеличено в два раза при неизменном размере управляющей программы (16К). Это достигнуто за счет увеличения длительности цикла в два раза и введения инверсного режима работы за счет элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ во второй половине рабочего цикла. Кроме того, в два раза уменьшена скважность импульсов синхронизации, что соответствует максимальной помехоустойчивости при работе на линии большой длины (до 100 м и более). При необходимости еще большего увеличения длины соединительной линии (до 300 м и более) предусмотрено применение специальных драйверов, уменьшающих крутизну фронтов транслируемых импульсов, и, тем самым, исключающих отражения и перекрестные наводки в несогласованной линии связи.
В подавляющем большинстве известных конструкций светодинамических устройств реализовано управление каждым световым элементом непосредственным его подключением с помощью отдельного сигнального проводника к основной плате контроллера. Но, как правило, такие устройства позволяют управлять лишь небольшим числом элементов, обычно, не превышающим восьми. Наращивание их числа требует использования дополнительных микросхем памяти и соответствующего увеличения числа проводов, входящих в жгут. Это приводит к значительному усложнению, как схемотехнической части, так и программного кода, необходимого для «прошивки» нескольких микросхем памяти. Кроме того, в таком варианте невозможно управлять набором световых элементов, удаленных от основной платы контроллера на значительное расстояние.
Решением задачи увеличения числа элементов и управления набором световых элементов, расположенным на большом расстоянии от основной платы контроллера, является применение последовательного интерфейса между основной платой контроллера и гирляндой, состоящей из регистров, непосредственно к выходам которых и подключаются световые элементы. В таком устройстве передача данных в выходные регистры производится в течение очень короткого промежутка времени с тактовой частотой около 25 кГц. Пакеты данных следуют друг за другом с частотой около 10 Гц, что приводит к смене светодинамических комбинаций. Поскольку время обновления данных в регистрах очень мало: 0.04(мс) × 16 = 0.64(мс), смена комбинаций происходит визуально незаметно, что и создает эффект их непрерывного воспроизведения. Линия выполняется жгутом из 4 многожильных проводников, включая «общий» провод, при длине линии до 10 метров, и жгутом из 7 многожильных проводников, при длине от 10 до 100 метров. Во втором случае, каждый сигнальный проводник («Данные», «Синхронизация», «Разрешение индикации») выполняется «витой парой», второй проводник которой заземляется с обеих сторон линии, и, после этого, все проводники объединяются в один жгут.
Опыт повторения светодинамических устройств, показывает, что публикуемые «прошивки», к сожалению, далеки от совершенства и содержат грубые ошибки. А ведь читатель ожидает получить именно эстетический визуальный эффект от работы устройства. Поэтому такой подход к разработке программного кода напрочь отбивает желание повторять программируемые светодинамические устройства, несмотря на простоту и доступность их схемотехнических решений.
С целью гарантировать от записи в РПЗУ неправильного управляющего кода, в среде Delphi 7.0 разработана специальная программа Виртуального симулятора («Light Effects Reader»), позволяющая воспроизвести последовательность светодинамических эффектов на экране компьютера, и тем самым, проверить целостность формируемого по приведенной в данной статье методике программного кода.
Как известно, многократные отражения сигнала, возникающие в длинных несогласованных линиях, а также интерференционное взаимодействие двух сигнальных линий, входящих в один жгут, при определенных условиях, могут привести к ошибкам в передаче данных, что в случае светодинамической системы означает нарушение эстетического эффекта. Это накладывает ограничения на длину соединительной линии и предъявляет жесткие требования к помехоустойчивости системы, использующей последовательный интерфейс. Помехоустойчивость такой системы зависит от многих факторов: частоты и формы импульсов транслируемого сигнала, времени между изменениями уровней (скважности) импульсов, удельной емкости проводников линии, входящих в жгут, эквивалентного сопротивления линии, а также входного сопротивления приемников сигнала и выходного сопротивления драйверов.
Известно, что главным критерием помехоустойчивости является значение порогового напряжения переключения логических элементов [1]. Пороговому напряжению инвертирующего логического элемента соответствует такое входное напряжение, при котором на выходе элемента устанавливается напряжение, равное входному. Для микросхем ТТЛ-структуры (серии К155) это значение составляет примерно 1.1 В при типовом значении напряжения питания 5 В. Применение таких микросхем в устройствах передачи и приема данных по длинным несогласованным линиям не позволяет получить приемлемой помехоустойчивости даже при работе на линии относительно небольшой длины (более 5 м). Дело в том, что многократные отражения сигнала, амплитуда которых даже незначительно превышает значение порогового напряжения переключения логических элементов (1.1 В), приводят к многократному переключению выходных регистров, а значит к ошибкам передачи данных. Чтобы частично скомпенсировать отраженный сигнал, в случае применения ТТЛ (К155) и ТТЛШ (К555, КР1533) микросхем, часто используют обычные RC-фильтры (так называемые интегрирующие цепочки), но они же сами и вносят искажение в передаваемый сигнал, искусственно увеличивая времена нарастания и спада фронтов сигнала. Поэтому такой способ малоэффективен, и, в конечном счете, приводит только к увеличению суммарной паразитной емкости линии, что создает дополнительную нагрузку на микросхемы трансляторов сигналов на передающей стороне линии. Есть и еще одна проблема, связанная с применением RC-фильтров. С увеличением времен нарастания и спада фронтов сигнала, увеличивается и время «пребывания» управляющего сигнала вблизи «опасного» порогового уровня напряжения переключения логического элемента, что, в свою очередь, приводит к возрастанию вероятности ложного переключения выходного регистра под действием сигнала помехи и нарушению эстетического эффекта.
Современная элементная база – быстродействующие КМОП микросхемы, обладающие высокой нагрузочной способностью и максимальной помехоустойчивостью (их пороговое напряжение переключения практически равно половине напряжения питания) – позволяют построить СДУ с последовательным интерфейсом, длина соединительных линий которого, учитывая участки, соединяющие регистры выносной гирлянды, может достигать 100 м даже при использовании обычной витой пары (никаких экранированных проводников!).
Первое преимущество КМОП микросхем серии КР1564 заключается в высокой помехоустойчивости, значительно превышающей соответствующее типовое значение для элементов ТТЛШ-микросхем серии КР1533. В случае применения микросхем структуры КМОП серии КР1564, симметричные передаточные характеристики обеспечивают помехоустойчивость на уровне 45% от напряжения источника питания, что близко к идеальному значению 50%, причем помехоустойчивость системы возрастает с увеличением напряжения источника питания, поскольку возрастает амплитуда транслируемого сигнала.
Второе преимущество микросхем структуры КМОП, благодаря их высокой нагрузочной способности (серии КР1554, КР1564), заключается в возможности непосредственно управлять нагрузкой, имеющей емкостной характер. Сбалансированные (симметричные) вольтамперные передаточные характеристики элементов микросхем указанных серий позволяют получить практически одинаковые времена фронтов нарастания и спада сигнала. Кроме того, для трансляции сигналов в линию и приема можно использовать мощные буферные элементы на основе триггеров Шмитта, обладающие гистерезисом (при напряжении питания 5 В для ИС КР1554ТЛ2 это значение составляет примерно 400 мВ), что создает дополнительный запас помехоустойчивости.
Третье преимущество использования КМОП микросхем серии КР1564 по сравнению с ТТЛ (К155) и ТТЛШ (К555, КР1533) заключается в наличии на входах и выходах всех элементов защитных диодов, предотвращающих пробой подзатворного окисла (диэлектрика) полевых транзисторов элементов микросхем, в случае воздействия экстремальных входных токов и напряжений (например, разряда статического электричества или, так называемых, «просечек» сигнала, превышающих допустимый уровень). Защитные диоды приводят к ограничению «просечек» сигнала выше уровня питания (overshoot) и ниже уровня «земли» (undershoot). Эти диоды ограничивают пиковые значения сигнала на уровне +0.7В выше уровня питания и –0.7В ниже уровня «земли». Эта особенность полностью исключает необходимость применения интегрирующих RC-цепочек для компенсации хорошо известных отражений сигнала и, в случае применения КМОП-микросхем указанных серий, позволяет значительно упростить схемотехнические решения на передающей и приемной сторонах линии передачи.
Схема электрическая принципиальная
 Кликните для увеличения |
|
| Рисунок 1. | Схема электрическая принципиальная. |
На схеме электрической (см. Рис. 1) в явном виде показано подключение одного выходного регистра, состоящего из 4 микросхем (DD11…DD14), с помощью трех сигнальных проводников соединительной линии. Таких выходных регистров, которые при параллельном включении будут работать синхронно, может быть несколько. Общий проводник (на схеме не показан), соединяющий выходной регистр и общий провод основной платы контроллера также входит в состав соединительной линии и должен выполняться многожильным проводом сечением не менее 1 мм2.
Управление выходным регистром, следовательно, и загрузка в него данных, осуществляется по трем сигнальным линиям последовательного интерфейса: «Данные», «Синхронизация» и «Разрешение индикации». Третья линия – вспомогательная, этот сигнал кратковременно отключает выходы ИМС всех регистров на время загрузки текущей комбинации, что исключает эффект мерцания даже малоинерционных светодиодов. Таким образом, гирлянда световых элементов подключается к основной плате устройства (не считая экранирующих, необходимых только при длине линии более 10 м, составляющих пару каждому сигнальному проводнику) всего четырьмя проводами: «Данные», «Синхронизация», «Разрешение индикации» и «Общий».
Устройство содержит: НЧ-генератор смены светодинамических комбинаций (DD1.1, DD1.2, R1, R2, C1), ВЧ-генератор (DD1.3, DD1.4, R6, R7, R8, C4), стробирующий схему формирования импульсов синхронизации (DD4.1, DD6.1, DD6.2), адресный счетчик (DD3) выборки РПЗУ (DD5), адресный счетчик (DD4.2) выборки мультиплексора (DD7), а также контрольный (DD9, DD10) и выходной (DD11…DD14) регистры. Причем триггеры Шмитта, входящие в состав микросхем DD11, DD13 служат, как для приема и восстановления строго прямоугольной формы сигнала, так и усиления ретранслируемого сигнала для управления следующими, по цепочке, микросхемами выходных регистров. Такое схемотехническое решение позволяет располагать платы выходных регистров [DD11, DD12] и [DD13, DD14] на значительном расстоянии, как от основной платы контроллера, так и друг от друга. Для трансляции сигналов по длинной несогласованной линии, представляющей собой емкостную нагрузку, на основной плате контроллера используются мощные буферные элементы на основе триггеров Шмитта типа КР1554ТЛ2.
Окончание читайте здесь
