光动力装置行波。方案、说明

光动力装置行波。无线电电子电气工程百科全书

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抽象。具有可编程算法的光动态器件（SDU）可以创建各种光动态效果并根据程序控制大量光元件。与具有离散亮度控制的 LED 不同，具有线性（平滑）亮度控制的 LED 需要为每个通道使用单独的硬件 PWM 控制器。因此，这种装置的复杂性与发光元件的数量成比例地增加。

本文讨论具有平滑亮度控制的 16 通道版本的 SDU，它结合了电路解决方案的简单性和 16 个硬件 PWM 控制器的软件实现仿真。

概观。根据线性规律同时同步控制大量发光元件的亮度不仅需要为每个通道使用单独的硬件PWM控制器，而且还需要使此类控制器的操作与通道之间具有一定的相移同步。所提出的器件基于具有串行接口的可编程 16 通道控制器的架构，如 [1] 中所述。不同之处在于 EEPROM IC 的读取算法和固件，以及更复杂的输出寄存器（例如 74AC595）的使用。该寄存器由 16 个触发单元组成，其中前 XNUMX 个是缓冲寄存器的一部分，其余 XNUMX 个是输出的一部分。

使用串行接口可以以最小的硬件成本增加灯元件的数量，而不会使主控制器的电路显着复杂化，并且可以通过串行接口线同时同步地控制多组灯元件，其长度可达100 m。在最简单的情况下，SDU 实现两种灯光效果“行波”类型，PWM 序列字长为 16 位。效果在四次重复后自动更改，或者通过按按钮手动选择。随着 EEPROM IC 使用的存储器容量的增加，可以增加通道数、效果数以及 PWM 序列的字长。

光动力装置行波

为了实现平滑的亮度控制，该器件采用脉冲宽度调制 (PWM) 原理。 PWM 是一种通过改变矩形载波频率脉冲的持续时间（宽度）来编码数字信号的方法。上图。图 1 显示了典型的 PWM 波形。由于在脉宽调制中，脉冲频率以及周期 (T) 保持不变，因此随着脉冲持续时间 (t) 的减少，脉冲之间的暂停时间会增加（图 1 中的图表“B”）相反，随着持续时间的增加，脉冲暂停会减少（图 1 中的曲线“B”）。在我们的例子中，打开 LED 对应于寄存器输出处出现逻辑零电平，因此亮度随着脉冲占空比的增加而增加（图 1 中的曲线“B”），反之，亮度也会增加随着占空比的减小而减小（图1中的曲线“C”）。回想一下，脉冲占空比是脉冲重复周期与其持续时间的比率。占空比是一个无量纲量，没有测量单位，但可以用百分比表示。

该器件使用 16 位字长的 PWM 序列，对应于发光元件的 16 个亮度等级。这样的亮度等级足以实现视觉上平滑的亮度变化，并且“行波”的上升和下降周期不超过一秒。随着亮度变化周期增加到两秒或三秒，亮度级别（渐变）之间的转变在视觉上变得明显，这将需要增加 PWM 序列的字长。但对于大多数应用，如果不需要非常缓慢地再现效果，16 级亮度就足够了。

为了控制一组远程发光元件，使用串行接口的三个信号线：“Data”、“Clk1”和“Clk2”。第一行“Data”是信息信号，另外两行“Clk1”和“Clk2”分别是缓冲器和输出寄存器的选通信号，它们是IC 74AC595的一部分。

当在长的、不协调的通信线路上运行时，由于众所周知的信号反射和同一束中相邻导体引起的串扰，会出现数据传输问题。光动力系统中发生的这种反射和干涉意味着对美学效果的破坏。这对连接线的长度施加了限制，并对使用串行接口的系统的抗噪声能力提出了严格的要求。

这种系统的抗噪性取决于许多因素：传输信号脉冲的频率和形状、脉冲电平（占空比）变化之间的时间、线束中包含的线路导体的比电容、等效线路电阻、以及信号接收器的输入阻抗和驱动器的输出阻抗。

当沿线和返回的信号传播延迟时间开始超过信号的上升和下降前沿的持续时间时，长失配线的影响开始出现。等效线路阻抗与线路接收侧逻辑门的输入阻抗或发送侧驱动器的输出阻抗之间的任何不匹配都会导致信号多次反射。 KR1554系列微电路的典型上升和下降时间小于5纳秒，因此当其长度只有五十到六十厘米时，长失配线的影响就开始出现。

了解传输线的特性，例如总输入电容和每单位长度的比电容，就可以计算沿线整个长度的信号传播延迟时间。典型的传播延迟时间通常为 5-10 ns/m。如果连接线的长度足够长且信号上升沿和下降沿的持续时间足够小，则等效线路电阻与接收侧CMOS逻辑元件的输入电阻不匹配会产生信号反射，其幅度取决于施加到元件输入的电压的瞬时值以及反射系数，而反射系数又取决于等效线路电阻和输入门的输入电阻。

由于KR1554系列IC元件的输入阻抗比双绞线或屏蔽导体线路的等效电阻大很多倍，因此接收器输入端的反射电压加倍。该反射信号沿着线路传播回发射器，在发射器处再次反射，并且重复该过程直到信号完全衰减。

我们特别强调，反射与传输的信号脉冲的频率无关，而仅是由传输的时钟脉冲前沿的高陡度引起的。为了对抗专业电路中的反射，当在长线路（100 m 或更长）上工作时，使用特殊驱动器来降低传输时钟脉冲前沿的陡度，从而消除数据传输错误。

对于在相对较短长度（10 至 100 m）的线路上运行，KR1554 系列 (74ACxx) 标准逻辑 IC 非常适合。由于其高负载能力，可以直接控制容性负载。这些微电路元件的平衡（对称）电流-电压输出（传输）特性使得可以获得几乎相同的上升和下降前沿时间。此外，基于具有迟滞功能的施密特触发器的强大缓冲元件（在 0,9 V 电源电压下其最小值约为 4,5 V）可用于将信号传输到线路并接收，从而产生额外的抗噪裕度。

为了补偿该设备中的反射信号，使用了所谓的积分器或积分 RC 链。仅当在干扰水平增加的情况下在超过 10 m 的线路上工作时才需要它们。在作者的设备版本中，线路长达 10 m，未使用输出寄存器图中虚线所示的电容器。长度长达10 m的通信线由5根导线组成，包括“电源“+12V”和“公共线”。在这种情况下，即使没有集成电容器，也不会观察到故障。当信号线长度为 10 至 100 m 时，相邻导体引起的串扰会增加。在这种情况下，每条信号线：“Data”、“Clk1”和“Clk2”必须使用单独的双绞线，并且图中虚线所示的电容器应安装在输出寄存器板上。在这种情况下，远程寄存器和花环由单独的“+12V”电源供电。

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原理图，示意图。光动装置（图2）由主控板和两块远程寄存器板组成，两块远程寄存器板通过1条串行接口线与主板相连。公共导体（图中未示出）也是连接线的一部分，由横截面至少为 2 mm9 的绞线制成。连接线末端为 9 针 DB-1 插头。印刷电路板具有配合连接器 XNXNUMX（图中也未显示）。

主控板包含：施密特触发器DD1.4上的复位电路和元件C3-R6-R7；元件 DD1.1 ... DD1.3 上的主发生器；同步脉冲发生电路DD6.1、DD4.2…DD4.4、DD7.1、DD7.2；地址计数器DD6.2多路复用器采样DD9和计数器DD2.2、DD3.2、DD5.1、DD5.2寻址IC EEPROM DD8；一个用于指示内存页号的 LED 条（HL1…HL4，绿色），一个用于增加/减少亮度的指示灯（HL5，黄色），以及一个用于指示光动态效果数量的指示灯（HL6，红色）。主板上安装了寄存器 DD11、DD12 和 LED 线 HL7…HL22，用于监控设备性能。基于 KR1554TL2 (74AC14) 型施密特触发器的强大缓冲器元件被用作信号转换的驱动器。作为存储器IC，您不仅可以使用AT28C16 型EEPROM，还可以使用KR573RF2 (RF5) 型RPZU。

为了开发控制程序，使用了[2]和[3]中考虑的带有集成编程器的控制器。也可以使用“虚拟编程器”（“Light Effects Dumper”）编写替代控制固件，但是在这种情况下，在使用“虚拟编程器”对其进行编程时，需要重新分配 EEPROM (EPROM) IC 的地址线标准程序员。所有专业级工业程序员和大多数中级程序员都支持此功能。在对 EEPROM 进行编程时需要重新分配地址线，这是因为在开发 [2] 和 [3] 中讨论的编程器时，最初选择了不同（相反）顺序的地址线，以便于跟踪印刷电路板。对于特定控制器[2]和[3]，地址线的重新分配不会以任何方式影响操作，因为数据的读取顺序与写入的顺序相同。在“行波”CDS 的开发过程中，保留了地址线的编号顺序，以确保该设备与编程器的兼容性 [2] 和 [3]。

但该表显示了灯光动态效果固件的一个变体，是使用“Virtual Programmer”（“Light Effects Dumper”）程序生成的，以便读者可以使用“Virtual Simulator”（“Light Effects Reader”）程序查看固件，可通过链接 [4] 获取，并更好地熟悉设备的操作原理和控制程序的开发。

的操作原理。当电源接通时，积分电路C3-R6与施密特触发器DD1.4一起产生一个短正脉冲，使计数器DD2.1…DD6.2复位（DD3.1除外，它是未使用），从而将控制器重置为其原始状态。主振荡器 DD1.1 ... DD1.3 的频率约为 130 kHz（更准确地说是 131072 Hz）的脉冲同步计数器 DD6.1，然后是 DD6.2 和其余地址计数器。展望未来，假设“行波”亮度持续时间等于两秒的一个完整周期的增加-减少对应于主振荡器的频率恰好为 131072 Hz。该值源自 128 Hz 的输出寄存器更新率，远远优于 85 Hz 的人体工程学值。这样的数据更新速率对于消除光元素的闪烁并产生亮度平滑变化的错觉是必要的。

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同步脉冲形成的时序图如图3所示。从中可以看出，对于在 DD2 元件（引脚 7.2）的输出处形成的输出寄存器（“Clk6”）的每个同步脉冲，有 16 个缓冲寄存器（“Clk1”）的同步脉冲。 ”），它们是 IC 74AC595 的一部分。此外，在元件DD1（引脚4.3）的输出处形成的同步脉冲（“Clk6”）的正边缘落在数据位传输的熟悉的中间。根据控制器 [1] 基本版本的测试结果，根据经验确定，缓冲寄存器在熟悉程度中间时刻的同步对应于在不协调线路上工作时的最大抗噪性。很长。同时，无需在远程寄存器的输入处使用积分器。

第一个负脉冲（从电源打开的那一刻开始计算）在 DD4.3 元件（引脚 6）的输出端形成，其后沿（正下降沿）写入从第一个单元读取的数据位。位于第一个零 (0000h) 地址的 EEPROM 会触发作为 IC DD11 和 DD14 一部分的缓冲寄存器，同时沿递增位方向进行信息移位。 IC DD11、DD12、DD14、DD16 包含的输出寄存器内容不变，LED 灯条显示当前的光动态组合。如上所述，PWM序列的字长为16位，因此，要在一行16个LED上显示一级（灰度）亮度，需要传输16 x 16 = 256位信息的数据包到寄存器，有条件地对应于地址 EEPROM 空间的一页。因此，一个完整的淡入周期需要 32 页地址空间或 8K，其中前 16 页（4K）是亮度上升的半周期，后半部分也是 16 页（大小也是 4K）是亮度下降的半个周期，相对于第一个通道计数。

来自计数器 DD2 的输出 4（引脚 6.1）的每个正脉冲的下降沿将计数器 DD6.2 的状态加一，因此将其十进制输入连接到多路复用器 DD9 的输出，对应于该代码的二进制等价物又连接到相应位数据 IC EEPROM DD8 的输出。将 16 位数据写入 IC DD11、DD12、DD14、DD16 的缓冲寄存器后，DD7.2 元件输出处产生负脉冲的后沿（正沿），缓冲寄存器的内容IC DD11、DD12、DD14、DD16 被覆盖在各自的输出寄存器中。同时，在LED线HL7…HL22和HL23…HL38上固定了新的组合。但总（积分）亮度值恰好对应于 16 个 16 位数据包，即如上所述，16 x 256 = XNUMX 位数据通过串行线路传输到寄存器。

亮度级别（等级）的改变由一行 LED HL1 ... HL4 指示，它以二进制代码显示计数器 DD3.2 的状态。从电路中可以看出（图2），计数脉冲由DD3.2输出经DD2.2计数器除以2.1后到达DD2.2输入。输出脉冲DD2.1的这种分频对于比不使用计数器DDXNUMX进行分频所获得的亮度增加更慢来说是必要的。

计数器DD3.2和DD5.1在计数器DD8的零状态下对地址空间IC EEPROM DD5.2的前半部分进行寻址，在该计数器的单一状态下对地址空间IC EEPROM DD8的后半部分进行寻址。灯光效果选择模式——手动或自动——由开关SA1设置。如图所示的位置，重复四次后效果会自动交替。这是通过从第三位 DD5.1（引脚 5）的输出向计数器 DD5.2 的输入提供计数脉冲来实现的。在下部，根据开关SA1的位置，当按下SB5.2按钮时，在计数器DD1的输入处接收到短正脉冲。状态计数器DD5.1和DD5.2分别指示黄色（HL5）和红色（HL6）LED。

光动力装置行波

结构和细节。主控制器组装在双面玻璃纤维制成的印刷电路板上，尺寸为140 x 90 mm，厚度为1,5 mm（图4），输出寄存器（图5）为90 x 30 mm（图6）。该器件使用 MLT-0,125 型固定电阻器、调谐电阻器 - SP3-38b、K1-3 型无极性电容器（C8 ... C10、C12 ... C14、C10 ... C17）、氧化物(C4 ... C7、C11、C15) - K50-35 或进口。主控板上安装直径3毫米（HL1…HL6）和直径5毫米（HL7…HL22）超高亮LED，直径15颗四色KIPM-10超高亮LED mm 以交替顺序放置在远处的花环中。

光动力装置行波

考虑到正向偏置 LED 上的压降差异（对于红色和黄色，该值为 2,1 V，对于蓝色和绿色 - 3,0 V），有必要将相应的限流电阻与 LED 串联：220 和 150 欧姆。为了控制强大的负载，输出寄存器必须补充晶体管或三端双向可控硅开关开关。可以直接使用现场EEPROM型号AT28C16-15PI存储芯片型号RPZU型号KR573RF2或KR573RF5，而无需改变印刷电路板设计。

计数器类型 KR1564 IE23 (74HC 4520N) 可由 K561 IE10 (CD4520AN) 替代，但 IC DD3、DD5 除外，其输出连接有 LED 指示灯。 KR9 KP1564 (7HC 74) 型多路复用器 DD151 将取代 KR1564 KP15 (74HC 251)。长度可达 10 m 的连接线由 4 根截面积为 0,35 mm2（信号线）和 1 mm2（“公共”线）的绝缘绞合导线制成，长度为 10 100m以内，信号线必须采用单独的双绞线，并在输出寄存器板上安装容量不大于150pF的积分电容。

光动力装置行波

由可维修部件组装而成的设备无错误运行的准备工作包括使用标准编程器将固件写入 EEPROM IC (EPROM)。在这种情况下，需要通过在程序中选择适当的选项，以编程方式重新分配 EEPROM IC 地址线的顺序。在对 EEPROM 芯片进行编程之前，必须使用免费转换器程序之一将程序的文本文件（见表）转换为二进制格式，例如 [5]。您可以使用主控板上的微调电阻 R3 选择动态灯光效果所需的播放速度。

来源

Odinets A. L.“可编程 16 通道 SDU 和虚拟模拟器。” - 《电工》，2008 年，第 4 期，第 72 页75-5，第 76 期，第 79 页。 XNUMX-XNUMX。
Odinets A. L.“具有串行接口的自主 32 通道可编程光动态设备。” - “Radioamator”，2005 年，第 6 期，第 20-23 页。第 7 期，第 22-23 页。
Odinets A. L.“具有串行接口的自主 32 通道可编程光动态设备。” （升级版。） - 《电工》，2008 年，第 11-12 期，第 76-79 页。，2009 年，第 1-2 期，第 44-48 页。
dynamic-lights.narod.ru/LightEffectsReader.rar
winhex.com

作者：Odinets A.L.

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