Автономное 16-канальное светодинамическое устройство с последовательным интерфейсом

Одинец Александр Леонидович, г. Минск, Беларусь

Рисунки:

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Аннотация

Светодинамические устройства (СДУ) находят широкое применение для эстетического оформления баров, дискотек, казино, праздничной иллюминации, в автомобильной электронике (для управления стоп-сигнальными "огнями"), а также для организации световой рекламы. СДУ с программируемыми алгоритмами позволяют реализовывать большое многообразие светодинамических эффектов и управлять по программе большим числом световых элементов. Реализация упрощенного алгоритма программирования ОЗУ средствами интегрированного (внутрисхемного) программатора позволяет перепрограммировать набор световых эффектов всего за несколько минут без дополнительных аппаратных средств, что обеспечивает полную автономность устройства и удобство в эксплуатации. Применение последовательного интерфейса, реализованного в данном устройстве, позволяет управлять независимо каждым из набора 16 световых элементов по трем сигнальным линиям (не считая общего провода), длина которых может достигать 100 м. Кроме того, возможно одновременное управление несколькими такими наборами световых элементов, которые при параллельном включении будут работать синхронно.

Общие сведения

Программируемое полностью автономное 16-канальное СДУ является усовершенствованным вариантом устройства, опубликованного в [1], и построено полностью на современной элементной базе — КМОП микросхемах серии КР1564, обладающих высокими быстродействием и помехоустойчивостью, а также низкой потребляемой мощностью. В модернизированном варианте устройства учтены все особенности работы контроллера на несогласованные линии большой длины, а применение КМОП микросхем указанной серии позволяет значительно упростить схемотехнические решения на передающей и приемной сторонах несогласованной длинной линии.

Применение последовательного интерфейса позволяет наращивать число элементов с минимальными аппаратными затратами без увеличения числа проводников, входящих в жгут, и располагать гирлянду на большом удалении от основной платы контроллера. В такой архитектуре заложена потенциальная возможность наращивания числа световых элементов без существенного изменения протокола последовательного интерфейса. (Об этом будет сказано ниже). В предлагаемом варианте устройства, реализующем независимое управление каждым световым элементом, разнообразие светодинамических эффектов не ограничено и зависит только от воображения пользователя.

В подавляющем большинстве 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 световых элементов, обычно не превышающим восьми (по числу разрядов микросхемы памяти). Наращивание числа элементов требует использования дополнительных микросхем памяти и соответствующего увеличения числа сигнальных проводников, 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 и управления набором световых элементов, расположенным на большом расстоянии от основной платы контроллера, является применение последовательного интерфейса между основной платой 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 (при тактовой частоте ВЧ-генератора 100 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: 40 мкс x 16 импульсов=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.

Процесс программирования устройства достаточно прост и удобен: он производится последовательным нажатием трех кнопок. Задание комбинации светоизлучающих элементов производится последовательным нажатием двух кнопок: SB1 — "Запись "0" и SB2 — "Запись "1", которым соответствует введение на линейку включенного и выключенного светодиодов. Записи "нуля" соответствует именно включенный светодиод, поскольку этот уровень появляется на соответствующем выходе регистра. Светодиодная комбинация, записываемая в регистры, сдвигается вправо на один разряд непосредственно после очередного нажатия любой из указанных кнопок. Запись в ОЗУ сформированной комбинации производится по однократному нажатию кнопки SB3 — "Сохранение комбинации". При этом автоматически формируется последовательность импульсов, при которой происходит запись в ОЗУ текущего состояния контрольного регистра.

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.

С целью повышения помехоустойчивости, в модернизированном варианте устройства (за счет уменьшения скважности) увеличена длительность импульсов синхронизации (при неизменной частоте ВЧ-генератора FT=100КГц), что фактически означает увеличение интервалов времени между изменениями уровней транслируемого сигнала. Теперь частоте импульсов ВЧ-генератора FT=100КГц соответствует частота импульсов синхронизации FT2(CLK)=25КГц. Скважность импульсов синхронизации равна 4, а не 10 (см. временные диаграммы на рис. 1), что соответствует длительности импульсов синхронизации 10 мкс при длительности периода T=1/25КГц=40 мкс. Напомним, что скважностью импульса называется отношение периода сигнала к длительности импульса. К примеру, скважности равной 4 соответствует длительность импульса 25 мкс, при длительности периода 100 мкс.

Эффекты влияния длинных несогласованных линий начинают проявляться, когда времена задержек распространения сигнала вдоль линии и обратно начинают превосходить длительность фронтов нарастания и спада сигнала. Любые несоответствия между эквивалентным сопротивлением линии и входным сопротивлением логического элемента на приемной стороне линии или выходного сопротивления драйвера на передающей стороне приводят к многократному отражению сигнала. Типовое значение времен нарастания и спада фронтов сигнала для микросхем серии КР1564 составляет менее 5 нс, поэтому эффекты влияния длинных несогласованных линий начинают проявляться при ее длине всего пятьдесят-шестьдесят сантиметров.

Зная характеристики линии передачи, такие как полная входная емкость и удельная емкость на единицу длины, можно вычислить время задержки распространения сигнала по всей длине линии. Типовое значение времени задержки распространения сигнала обычно составляет 5-10 нс/м. Если длина соединительной линии достаточно велика и длительность фронтов нарастания и спада сигнала достаточно мала, несоответствие эквивалентного сопротивления линии и входного сопротивления логического КМОП элемента на приемной стороне создает отражение сигнала, амплитуда которого зависит от мгновенного значения напряжения, приложенного ко входу элемента, и коэффициента отражения, который, в свою очередь, зависит от эквивалентного сопротивления линии и входного сопротивления входного логического элемента.

Поскольку входное сопротивление элементов микросхем серии КР1564 многократно превосходит эквивалентное сопротивление линии, выполненной витой парой или экранированным проводником, отраженное напряжение на входе приемника удваивается. Этот отраженный сигнал распространяется вдоль линии обратно к передатчику, где он вновь отражается, и процесс повторяется до полного затухания сигнала.

Первое преимущество использования КМОП микросхем серии КР1564 по сравнению с ТТЛ (К155) и ТТЛШ (К555, КР1533) заключается в наличии на входах и выходах всех элементов, так называемых 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). 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".

Второе преимущество КМОП микросхем серии КР1564 заключается в высокой помехоустойчивости, значительно превышающей соответствующее типовое значение для элементов микросхем серии КР1533. Известно, что главным критерием помехоустойчивости является значение порогового напряжения переключения логических элементов. За пороговое напряжение переключения инвертирующего логического элемента принимается такое входное значение, при котором на выходе элемента устанавливается напряжение, равное входному. Для микросхем ТТЛШ-структуры (серии КР1533) это значение составляет примерно 1,52 В при типовом значении напряжения питания 5 В [2]. Применение таких микросхем в устройствах передачи и приема данных по длинным несогласованным линиям не позволяет получить приемлемой помехоустойчивости даже при работе на линии небольшой длины (более 5 м). Дело в том, что многократные отражения сигнала, амплитуда которых даже незначительно превышает значение порогового напряжения переключения логических элементов (1,52 В), приводят к многократному переключению выходных регистров, а значит к ошибкам передачи данных, что в случае светодинамической системы, как отмечалось выше, означает нарушение эстетического эффекта. Передаточные характеристики микросхем серий КР1533 (ТТЛШ) и КР1564 (КМОП) иллюстрирует рис. 2 [2]. Из него видно, что разница пороговых напряжений для КМОП микросхем (КР1564) значительно больше, чем микросхем структуры ТТЛШ (КР1533), причем эта разница становится еще более существенной с увеличением напряжения источника питания, чего нельзя сказать о последних.

Третье преимущество микросхем структуры КМОП, благодаря их высокой нагрузочной способности (серия КР1554), заключается в возможности непосредственно управлять нагрузкой, имеющей емкостной характер. Сбалансированные (симметричные) вольтамперные выходные (передаточные) характеристики элементов этих микросхем 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.

Схема электрическая принципиальная

Схема электрическая принципиальная автономного 16-канального светодинамического устройства с последовательным интерфейсом представлена на рис. 1. Устройство содержит два параллельно включенных регистра. Один из них — контрольный, установленный на основной плате устройства. К выходам его микросхем (DD13, DD14) подключены светодиоды, по которым производится визуальное наблюдение процесса программирования. Второй — выходной регистр (DD16, DD18) — является управляющим для гирлянды выносных элементов. Оба регистра работают синхронно, но в процессе программирования участвует только первый из них. 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 малоинерционных светодиодов. Таким образом, гирлянда выносных 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".

Благодаря применению последовательного интерфейса, такое построение устройства позволяет наращивать количество световых элементов с минимальными аппаратными затратами без существенного усложнения протокола. Максимальное их число ограничено только помехоустойчивостью линии связи и нагрузочной способность источника питания. При указанных номиналах времязадающих элементов C6R19 тактового ВЧ-генератора, собранного на элементах DD7.1, DD7.2, и установке движка подстроечного резистора R19 в положение, соответствующее максимальному сопротивлению (что соответствует частоте ВЧ-генератора F_T=10 КГц) и выполнении сигнальных проводников линии витыми парами проводов, ее длина может достигать 100 метров.

В устройстве использована ИМС оперативной памяти (ОЗУ) КР537РУ2 статического типа объемом 4 Кбит (4096 бит). Диапазон адресного пространства (объем памяти), соответствующий одной комбинации, составляет 16 бит. Полный цикл формирования светодинамического эффекта, например, "бегущего огня" состоит из 16 комбинаций. Таким образом, объем памяти, занимаемый таким эффектом, составляет 16 х 16=256 бит, следовательно, максимальное количество эффектов этого типа, которые одновременно могут быть записаны в ОЗУ, составляет 4096/256=16. Следует учитывать, что указанный эффект является самым ресурсоемким, поэтому реальное количество светодинамических эффектов, которые занимают меньше адресного пространства ОЗУ, может быть значительно большим. Для получения еще большего количества эффектов, при неизменном числе элементов гирлянды, объем памяти может быть увеличен, к примеру, до 16 Кбит простой заменой ИМС ОЗУ и соответствующим увеличением разрядности адресного счетчика.

Как сказано выше, в архитектуре устройства заложена потенциальная возможность наращивания числа световых элементов с минимальными аппаратными затратами. К примеру, чтобы удвоить число элементов, необходимо дополнительно в контрольный и выходной регистры ввести еще по две дополнительные микросхемы КР1564ИР24 и включить их аналогично (и последовательно), как показано на схеме электрической (см. рис. 1). Но при этом необходимо таким образом изменить число импульсов синхронизации цикла записи/воспроизведения, чтобы в контрольный (DD13, DD14) и выходной регистры (DD16, DD18) производилась запись не 16, а 32 бит информации. Для этого верхний, по схеме, вывод конденсатора C7 необходимо отключить от цепи, соединяющей старший разряд счетчика DD9.1 (вывод 6) со счетным входом DD8.2 (вывод 13), и подключить этот вывод конденсатора к выходу первого (младшего) разряда счетчика DD8.2 (вывод 11). При этом останов ВЧ-генератора, выполненного на элементах DD7.1, DD7.2, будет происходить после завершения формирования 32 (а не 16) импульсов синхронизации (см. ниже по тексту).

На схеме электрической (см. рис. 1) в явном виде показано подключение одного выходного регистра, состоящего из 4 микросхем (DD15…DD18), 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.

Устройство содержит: интерфейсную схему ввода программы (кнопки SB1…SB3 и три верхние, по схеме, RS-триггера, входящие в состав микросхемы DD1), триггер состояний "запись/воспроизведение" и узел индикации (DD5.1, HL1, HL2), триггер состояний "загрузка/индикация" (DD5.2), НЧ-генератор смены светодинамических комбинаций (DD2.1, DD2.2, R9…R11, C1), ВЧ-генератор, стробирующий схему формирования импульсов синхронизации (DD7.1, DD7.2, R17…R19, C6), формирователь импульсов синхронизации в режимах "записи/воспроизведения" (DD8.1, DD6.2, DD7.3, DD7.4), формирователь импульсов выборки ОЗУ (элементы DD6.3, DD6.4) и, собственно, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — DD11. Контрольный регистр состоит из микросхем DD13, DD14, а выходной — DD15…DD18, причем триггеры Шмитта, входящие в состав микросхем DD15, DD17 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 [DD15, DD16] и [DD17, DD18] 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, которые для увеличения нагрузочной способности включены параллельно по два.

Принцип работы

Устройство может работать в двух режимах: программирования и считывания. При включении питания автоматически устанавливается режим воспроизведения, который индицирует включение зеленого светодиода НL2. Происходит это благодаря формированию короткого отрицательного импульса на выходе элемента DD2.4 (вывод 13), который устанавливает D-триггер DD5.2 в единичное состояние. Уровень "нуля" с его инверсного выхода (вывод 6) приводит к включению светодиода HL2. Уровень логической "единицы" с прямого выхода D-триггера DD5.1 воздействует на вход управления режимами работы ОЗУ "WR" (вывод 8) DD11 и переводит микросхему памяти в режим "чтения".

Одновременно, в момент включения питания, отрабатывает схема сброса, собранная на элементах C8, R23, R24, DD4.3, DD4.4 и устанавливает в нулевое состояние счетчики DD8.1, DD8.2, DD9.1, DD9.2. В этом режиме уровень логического "нуля" с инверсного выхода D-триггера DD5.1 разрешает работу НЧ-генератора, выполненного на элементах DD2.1, DD2.2, с частотой около 10 Гц (подстраивается в широком диапазоне с помощью R11). Импульсы отрицательной полярности с выхода элемента DD2.2, после инвертирования элементом DD3.3, ограничения длительности дифференцирующей цепочкой С4R14 и повторного инвертирования элементом DD3.4 вызывают установку в "единичное" состояние D-триггера DD5.2 и запуск ВЧ-генератора, собранного на элементах DD7.1, DD7.2. При этом уровень логического "нуля" с инверсного выхода D-триггера DD5.2 не способен изменить состояние элемента DD2.3, поскольку на втором его входе (вывод 8) установлена логическая "единица", приходящая с прямого выхода D-триггера DD5.1. Таким образом, на адресных входах мультиплексора DD10 устанавливаются: логическая "единица" (на входе "S0") и логический "ноль" (на входе "S1"), соответственно. Это приводит к "прохождению" на выходы мультиплексора DD10 сигналов с его соответствующих входов "A1", "B1".

По спаду первого положительного импульса ВЧ-генератора, воздействующего на вход "C" счетчика DD8.1, на выходе его первого (младшего) разряда (вывод 3) появится уровень логической "единицы". При этом начнется формирование отрицательных импульсов синхронизации контрольного и выходного регистров (на выходе элемента DD7.3) и выборки ОЗУ — "CS" ("Chip Select") — (на выходе элемента DD6.4), см. временную диаграмму режима "чтения" на рис. 1.

Это приведет к появлению на выходе ИМС ОЗУ DD11 (вывод 7) бита информации, записанного по адресу, задаваемому счетчиками DD9.1, DD8.2, DD9.2. Но поскольку они, как отмечалось выше, установлены в "нулевое" состояние, считывание первого бита данных произойдет именно по "нулевому" адресу ОЗУ DD11. Соответственно, этот бит информации появится на выходе нижнего, по схеме, мультиплексора DD10 и поступит на информационные входы "DR" (выводы 11) контрольного (DD13) и выходного (DD16) регистров.

Отрицательный импульс, формирующийся на выходе элемента DD7.3, завершается с приходом очередного (второго по счету) отрицательного перепада ВЧ-генератора, и своим положительным перепадом, "проходя" через верхний, по схеме, мультиплексор DD10, приводит к записи текущего бита информации в первый разряд контрольного (DD13, DD14) и выходного регистров (DD16, DD18).

Описанная процедура повторяется 16 раз до момента заполнения контрольного (и выходного) регистров и по отрицательному перепаду 64 импульса ВЧ-генератора, счетчик DD9.1 устанавливается в исходное (нулевое) состояние (поскольку максимальное число его состояний равно 16). Отрицательный перепад, формирующийся на выходе его старшего разряда (вывод 6) приводит к формированию на нижнем, по схеме, выводе конденсатора С7 короткого отрицательного импульса длительностью около 7 мкс, который, после инвертирования элементами DD4.3 и DD4.2, устанавливает D-триггер DD5.2 в исходное (нулевое) состояние. Уровень логического "нуля", появляющийся на его прямом выходе (вывод 9) вызывает останов ВЧ-генератора, и на его выходе (выводе 6 элемента DD7.2) устанавливается статический уровень нуля. Одновременно, уровень логического "нуля" с прямого выхода D-триггера DD5.2 поступает на входы разрешения "E1" и "E2" (выводы 2 и 3) микросхем контрольного и выходного регистров и разрешает индикацию текущей комбинации, которая будет отображаться до момента появления отрицательного перепада очередного импульса НЧ-генератора.

В режим программирования устройство переводится однократным нажатием кнопки SB4, что приводит к появлению на выходе нижнего, по схеме, RS-триггера, входящего в состав микросхемы DD1, уровня логической "единицы". Этот уровень будет удерживаться, пока нажата кнопка. Это относится и к трем остальным RS-триггерам, входящим в состав микросхемы DD1, уровни логических "нулей" на выходах которых будут удерживаться, пока нажаты соответствующие кнопки: SB1…SB3. Поскольку между выходом RS-триггера и входами элемента DD4.1 включена дифференцирующая RC-цепочка C2R12, на выходе элемента DD4.1 будет сформирован короткий отрицательный импульс, длительностью около 7 мкс, который "перебросит" D-триггер DD5.1 в противоположное (нулевое) состояние. Зеленый светодиод HL2 погаснет и загорится красный — HL1, что будет означать переключение устройства в режим программирования. Перевод устройства в режим программирования возможен в любой момент времени, по однократному нажатию кнопки SB4. Повторное нажатие этой кнопки переключит устройство обратно в режим воспроизведения. Но в любом случае (по нажатию кнопки SB4) будет происходить обнуление адресных счетчиков DD9.1, DD8.1, DD9.2, что, в свою очередь, будет сопровождаться переходом устройства в режим воспроизведения программы или в режим "записи" (при повторном нажатии SB4), но, также, начиная с НУЛЕВОГО адреса, задаваемого на выходах указанных счетчиков.

Нажатие любой из кнопок SB1 или SB2 будет вызывать переключение элемента DD3.1 в единичное состояние, формирование короткого положительного импульса на выходе RC-цепочки C3R13, который после инвертирования элементом DD3.2 и "прохождения" через верхний, по схеме, мультиплексор DD10 (теперь на его адресных входах — "S0", "S1" — установлены логические "нули") приведет к записи в первый разряд контрольного и буферного регистров DD13, DD16 информации, устанавливаемой на их входах "DR" (выводы 11), с одновременным сдвигом содержимого всех разрядов на одну позицию вправо (в направлении возрастания номеров разрядов). При нажатии кнопки SB1 произойдет изменение состояния первого (верхнего по схеме) RS-триггера DD1. На выходе "1Q" (вывод 4) появится уровень логического "нуля", который "проходя" через нижний, по схеме, мультиплексор DD10, поступит на информационный вход "DR" регистра DD13 (а также на вход "DR" DD16, проходя через элементы DD12.3, DD12.4, DD15.1) и, по завершению импульса отрицательной полярности (положительному перепаду) на входе "C", будет записан в первый разряд регистра. При нажатии кнопки SB2 состояние первого (верхнего по схеме) RS-триггера DD1 не изменится и в первый разряд регистра DD13 (а также DD16), по завершению импульса отрицательной полярности на его входе "C" (вывод 12), будет записан уровень логической единицы.

Таким образом, последовательное нажатие кнопок SB1, SB2 позволяет задавать любую комбинацию на контрольной светодиодной линейке HL11…HL26. Программирование текущей комбинации завершается нажатием кнопки SB3. При этом содержимое регистров DD13, DD14 переписывается в ОЗУ по адресам, задаваемым счетчиками DD9.1, DD8.2, DD9.2. Это сопровождается обновлением содержимого регистров DD13, DD14, благодаря подключению выхода "PR" DD14 (вывод 17) через нижний, по схеме, мультиплексор DD10 к входу "DR" DD13 (вывод 11). Следует особо подчеркнуть, что такой алгоритм формирования управляющего кода позволяет полностью исключить возможные ошибки, которые могут быть допущены пользователем в процессе программирования, поскольку нет необходимости сразу же после введения комбинации на контрольную линейку нажимать кнопку SB3, и только убедившись, что с помощью кнопок SB1 и SB2 введена правильная комбинация, — нажимают SB3.

Визуальный контроль заполнения адресного пространства ИМС ОЗУ DD11 производят по линейке светодиодов HL3 — HL10, отображающих текущий адрес двоичных счетчиков DD9.1, DD8.2, DD9.2. Первые шесть светодиодов HL3 — HL8, зеленого цвета, индицируют заполнение первых 25% адресного пространства, желтый HL9, в сочетании с зелеными, — от 25 до 50%, красный HL10, в сочетании с желтым и зелеными, — от 50 до 100%. Одновременное свечение всех светодиодов в режиме записи указывает на заполнение всего адресного пространства ОЗУ, кроме ячеек по шестнадцати последним адресам. После записи светодинамической комбинации по шестнадцати последним адресам, счетчики DD9.1, DD8.2, DD9.2 устанавливаются в "нулевое" состояние, что сопровождается погасанием светодиодов HL3—HL10. На всех адресных линиях устанавливаются уровни "нулей". При этом запись программы может быть произведена повторно или однократным нажатием кнопки SB4 устройство может быть переведено в режим "воспроизведения".

Конструкция и детали

Основной контроллер собран на печатной плате размерами 100x145 мм (рис. 3), а выходные регистры — 25x80 мм (рис. 4) из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с двухсторонней металлизацией. Рисунки печатных плат разрабатывались для нанесения "от руки", что должно упростить изготовление плат в условиях радиолюбительской лаборатории. Соединения, показанные штриховой линией, выполняются тонким многожильным проводом в изоляции.

В устройстве использованы постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, переменные — СП3-38б, конденсаторы К10-17 (C1…С8), К50-35 (C9…C14); светодиоды — сверхъяркие четырех цветов, на основной плате контроллера — диаметром 3 мм, а в выносной гирлянде — 10 мм типа КИПМ-15, размещенные в чередующейся последовательности. Возможны, конечно, и другие варианты сочетания светоизлучающих элементов. Для управления более мощной нагрузкой, например, лампами накаливания, выходные регистры необходимо дополнить транзисторными или симисторными ключами. Защитный диод VD1, и развязывающие —VD2, VD3 — могут быть любыми кремниевыми средней мощности. Кнопки SB1…SB4, типа КМ1-1, распаиваются непосредственно на плате контроллера. Для них предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации.

Микросхемы выходного регистра (DD15…DD18, см. рис. 5), управляющие выносной гирляндой световых элементов, при длине линии более 10 м, как отмечалось выше, подключаются к основной плате контроллера витыми парами проводов. Их включение (с учетом дополнительных инвертирующих триггеров Шмитта) аналогично ИМС DD13, DD14 контрольного регистра (см. рис. 1), но данные с выхода переноса "PR" последней ИМС DD18 выходного регистра не используются, поскольку этот регистр работает только в режиме приема (загрузки, но не считывания) информации. Питание выносной гирлянды световых элементов, как и основного контроллера, осуществляется от отдельного стабилизированного источника напряжением 12В. Ток, потребляемый устройством, при указанных на схеме номиналах резисторов, не превышает 350 мА (это пиковое значение при одновременном свечении всех светодиодов), а при использовании в качестве контрольных регистров на основной плате контроллера ИМС КР1533ИР24 — не превышает 450 мА. Поэтому источник питания должен обладать соответствующей нагрузочной способностью. Рекомендуется использовать источник питания с минимальным током нагрузки не менее 1А, особенно для питания выходных (удаленных) регистров. Это позволит уменьшить амплитуду сигнала помехи, наводимой по цепи питания на сигнальные цепи микросхем регистров.

Следует отдельно остановиться на разводке шин питания основной платы контроллера. Устройство имеет три цепи питания: V_DD₁— основная часть контроллера, V_DD₂— питание ОЗУ (DD11) и формирователя сигнала выборки "CS" (DD6), V_DD₃— питание контрольной линейки светодиодов HL3…HL10 и двух микросхем контрольного регистра (DD13, DD14). Режим хранения обеспечивается за счет батареи GB1 резервного источника питания и установкой на входе "CS" ОЗУ DD11 уровня логической "единицы". Для этого в устройство введены "подтягивающие" резисторы R25, R26 сопротивлением 100 КОм, формирующие (при отключенном основном источнике) на входах элемента DD6.3 уровни логических "нулей". Такой же уровень появляется и на его выходе (вывод 3), и после инвертирования элементом DD6.4 поступает на вход "CS" DD11 (вывод 10).

Как упоминалось ранее, данные в выходной регистр (DD16, DD18) передаются по сигнальным линиям последовательного интерфейса: "Данные" и "Синхронизация". При небольшой длине линии (до 10 м) частота синхронизирующих импульсов ВЧ-генератора задается максимальной (100 КГц) и движок подстроечного резистора R19 устанавливается в положение, соответствующее минимальному сопротивлению. При значительном увеличении длины линии (более 10 м) возрастает амплитуда сигнала помехи, индуцируемой в сигнальных линиях смежными проводниками. Если амплитуда помехи превысит пороговое значение напряжения переключения входных триггеров Шмитта (с учетом гистерезиса), может произойти сбой передачи данных. Для исключения такой ситуации, при работе контроллера на линии очень большой длины (до 100 м) может потребоваться несколько уменьшить частоту ВЧ-генератора резистором R19. Скорость загрузки светодинамических комбинаций при этом снизится, но визуального отличия в работе устройства не будет, поскольку эффект мерцания светодиодов полностью маскируется сигналом "Разрешение индикации". Даже при минимально возможной частоте ВЧ-генератора (10КГц), что соответствует частоте импульсов синхронизации FT=2,5КГц (T=1/FT=400 мкс), максимальное время обновления (смены) светодинамической комбинации составит 400 мкс x 16 импульсов=6400 мкс (6,4 мс), что соответствует частоте регенерации около 156 Гц. Такая частота почти в два раза превышает эргономичное значение 85 Гц.

Если потребуется увеличить число элементов до 32, в таком случае максимальное время обновления светодинамической комбинации при минимально возможной частоте ВЧ-генератора (10КГц) составит 400 мкс x 32 импульса=12800 мкс (12,8 мс), что соответствует частоте регенерации около 78 Гц. Такая частота близка к эргономичному значению 85 Гц.

Регистры DD13, DD14 типа КР1564ИР24 (прямой аналог 74HС299), используемые на основной плате контроллера, можно заменить КР1554ИР24 (74AC299), а, в крайнем случае, и КР1533ИР24. Поскольку микросхемы КР1533ИР24 (SN74ALS299) ТТЛШ-структуры и потребляют достаточно большой ток даже в статическом режиме (около 40мА), в удаленных (выходных) регистрах рекомендуется использовать микросхемы КМОП-структуры серий КР1564 (74HCxx) или КР1554 (74ACxx). ОЗУ статического типа КР537РУ2 заменима КР537РУ3.

Для длительного хранения программы используется источник резервного питания напряжением 3В, состоящий из двух элементов типоразмера LR03 (AAA). Диоды VD4, VD5 должны быть германиевыми, например, типа Д9Б: падение напряжения на них должно быть минимальным; они предназначены для развязки резервного и основного источников питания.

Интегральный стабилизатор DA1 (КР142ЕН5Б), при указанных на схеме номиналах токоограничительных резисторов R27…R50, в радиаторе не нуждается, но если суперярких светодиодов в распоряжении не окажется, можно использовать и обычные, стандартной яркости. При этом номиналы резисторов R27…R50 нужно уменьшить в три-четыре раза, а стабилизатор установить на радиатор площадью не менее 100 см². Напряжение питания, как основной платы контроллера, так и выходных регистров может быть увеличено вплоть до 15В, но при этом следует помнить, что мощность, рассеиваемая на ИМС стабилизаторов, возрастает пропорционально падающему на них напряжению. Частоту переключения светодинамических комбинаций можно изменять подстройкой резистора R11, а скорость загрузки, при работе на очень длинные линии, — R19.

Методика программирования

Подготовка устройства к работе заключается в занесении светодинамических комбинаций в память ОЗУ с помощью кнопок SB1…SB3. В качестве примера рассмотрим программирование эффекта "бегущего огня". Будем считать, что до начала программирования питание было отключено.

Пример 1. Эффект "Бегущий огонь".

Включить питание, светодиоды HL3-HL10 должны отображать последовательное изменение двоичных комбинаций адресных счетчиков с частотой НЧ-генератора. Однократно нажать кнопку SB4. Светодиоды HL3-HL10 должны погаснуть (что соответствует установке счетчиков DD8.2, DD9.1, DD9.2 в "нулевое" состояние). Режим программирования индицирует красный светодиод HL1.

Однократно нажать кнопку SB1. Контролировать включение светодиода HL11.

Однократно нажать кнопку SB3. (При этом произойдет запись текущей комбинации с одновременным обновлением содержимого контрольных регистров DD13, DD14).

Однократно нажать кнопку SB2. Контролировать погасание светодиода HL11 и включение HL12.

Однократно нажать кнопку SB3.

Однократно нажать кнопку SB2. Контролировать погасание светодиода HL12 и включение HL13.

Однократно нажать кнопку SB3.

Повторить до прохождения включенным светодиодом всех позиций.

В процессе программирования нажатие кнопки SB3 сопровождается изменением комбинаций двоичного кода на выходах счетчиков DD8.1, DD8.2, DD9.1, которые отображает линейка светодиодов HL3-HL10.

Еще один пример программирования эффекта "бегущей тени" рассмотрен в [1].

Как упоминалось ранее, в устройстве заложена потенциальная возможность наращивания числа световых элементов. Благодаря этому, устройство может использоваться, например, в качестве контроллера светоинформационного табло. Количество элементов гирлянды может достигать нескольких десятков (их удобно увеличивать кратно восьми) без существенного изменения протокола последовательного интерфейса. Необходимо лишь установить требуемое количество контрольных и выходных регистров и соответственно изменить число тактовых импульсов синхронизации. Естественно, нужно учитывать изменение диапазона адресов ОЗУ, соответствующего одной светодинамической комбинации. Если нужно управлять гирляндой, число элементов которой превышает сотню, необходимо использовать дополнительные буферные регистры. При этом передача данных в буферные регистры будет производиться с более низкой тактовой частотой, а в выходные регистры, подключенные к их выходам, данные будут переписываться после завершения цикла передачи данных в буферные. Это позволит передавать большие пакеты данных по линиям последовательного интерфейса непосредственно в момент отображения текущей светодинамической комбинации. Естественно, при этом потребуется некоторое усложнение протокола.

По всем вопросам, связанным с реализацией последовательного интерфейса в светодинамических устройствах, можно получить консультацию, направив запрос на адрес электронной почты автора, указанный в начале статьи.

Литература:

Одинец А. Л. Программируемое светодинамическое устройство с последовательным интерфейсом. Версия 1.0. — "РАДИОЛЮБИТЕЛЬ", 2003 г., № 8, с. 6
Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. — Ленинград. "ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ", 1986, с. 76-77.