Dispositif dynamique de la lumière Onde progressive. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Abstrait. Les dispositifs de dynamique de la lumière (SDU) avec des algorithmes programmables permettent de créer une grande variété d'effets de dynamique de la lumière et de contrôler un grand nombre d'éléments lumineux selon le programme. Les LED avec contrôle de luminosité linéaire (lisse), contrairement aux LED avec contrôle de luminosité discret, nécessitent l'utilisation d'un contrôleur PWM matériel séparé pour chaque canal. De ce fait, la complexité d'un tel dispositif augmente proportionnellement au nombre d'éléments lumineux.

Cet article traite d'une version à 16 canaux du SDU avec un contrôle fluide de la luminosité, qui combine la simplicité des solutions de circuit et l'émulation logicielle de 16 contrôleurs PWM matériels.

vue d'ensemble. Le contrôle synchrone simultané de la luminosité d'un grand nombre d'éléments lumineux selon une loi linéaire nécessite non seulement l'utilisation d'un contrôleur PWM matériel séparé pour chaque canal, mais également la synchronisation du fonctionnement de ces contrôleurs avec un certain déphasage entre les canaux. Le dispositif proposé est basé sur l'architecture d'un contrôleur programmable à 16 canaux avec une interface série, discutée dans [1]. Les différences résident dans l'algorithme de lecture et le micrologiciel du circuit intégré EEPROM, ainsi que dans l'utilisation de registres de sortie plus complexes tels que 74AC595. Ce registre se compose de 16 cellules de déclenchement, dont les huit premières font partie du registre tampon et les huit autres font partie de la sortie.

L'utilisation d'une interface série permet d'augmenter le nombre d'éléments lumineux avec des coûts matériels minimaux sans compliquer considérablement les circuits du contrôleur principal, ainsi que de contrôler simultanément et de manière synchrone plusieurs ensembles d'éléments lumineux via des lignes d'interface série, dont la longueur peut atteindre 100 m Dans le cas le plus simple, le SDU implémente deux effets d'éclairage de type « onde progressive » avec une longueur de mot de séquence PWM de 16 bits. Les effets sont modifiés automatiquement après quatre répétitions ou sont sélectionnés manuellement en appuyant sur un bouton. Avec une augmentation de la quantité de mémoire utilisée par le circuit intégré EEPROM, il est possible d'augmenter le nombre de canaux, le nombre d'effets, ainsi que la longueur de mot de la séquence PWM.

Pour un contrôle fluide de la luminosité, cet appareil utilise le principe de la modulation de largeur d'impulsion (PWM). PWM est un moyen de coder un signal numérique en modifiant la durée (largeur) des impulsions de fréquence porteuse rectangulaires. Sur la fig. 1 montre des formes d'onde PWM typiques. Puisque, avec la modulation de largeur d'impulsion, la fréquence d'impulsion, et donc la période (T), restent inchangées, alors avec une diminution de la durée d'impulsion (t), la pause entre les impulsions augmente (diagramme "B" sur la Fig. 1) et, inversement, avec une augmentation de la durée, la pause d'impulsion diminue (tracé "B" sur la Fig. 1). Dans notre cas, l'allumage de la LED correspond à l'apparition d'un niveau logique zéro à la sortie du registre, donc la luminosité augmente avec l'augmentation du rapport cyclique de l'impulsion (tracé "B" sur la Fig. 1), et, inversement, la luminosité diminue avec la diminution du rapport cyclique (tracé "C" sur la Fig. 1). Rappelons que le rapport cyclique des impulsions est le rapport de la période de répétition des impulsions sur leur durée. Le rapport cyclique est une quantité sans dimension et n'a pas d'unités de mesure, mais peut être exprimé en pourcentage.

Cet appareil utilise une longueur de mot de 16 bits de la séquence PWM, ce qui correspond à 16 gradations de luminosité des éléments lumineux. Un tel nombre de gradations de luminosité est tout à fait suffisant pour un changement de luminosité visuellement fluide avec une période de montée et de descente de "l'onde progressive" ne dépassant pas une seconde. Avec une augmentation de la période de changement de luminosité à deux ou trois secondes, les transitions entre les niveaux de luminosité (gradations) deviennent visuellement perceptibles, ce qui nécessitera une augmentation de la longueur des mots de la séquence PWM. Mais pour la plupart des applications, si une reproduction très lente de l'effet n'est pas requise, 16 gradations de luminosité suffisent amplement.

Pour contrôler un ensemble d'éléments lumineux à distance, trois lignes de signal de l'interface série sont utilisées : "Data", "Clk1" et "Clk2". La première ligne "Data" est un signal d'information, et les deux autres lignes - "Clk1" et "Clk2" sont les signaux stroboscopiques des registres tampon et de sortie, respectivement, qui font partie de l'IC 74AC595.

Lors du fonctionnement sur de longues lignes de communication non coordonnées, des problèmes de transmission de données surviennent en raison des réflexions de signal bien connues et de la diaphonie induite par les conducteurs adjacents inclus dans le même faisceau. De telles réflexions et interférences qui se produisent dans le système dynamique de la lumière signifient une violation de l'effet esthétique. Cela impose des restrictions sur la longueur de la ligne de connexion et impose des exigences strictes sur l'immunité au bruit d'un système utilisant une interface série.

L'immunité au bruit d'un tel système dépend de nombreux facteurs: la fréquence et la forme des impulsions du signal transmis, le temps entre les changements de niveaux (rapport cyclique) des impulsions, la capacité spécifique des conducteurs de ligne inclus dans le faisceau , la résistance de ligne équivalente, ainsi que l'impédance d'entrée des récepteurs de signaux et l'impédance de sortie des pilotes.

Les effets des longues lignes désadaptées commencent à apparaître lorsque les temps de retard de propagation du signal le long de la ligne et inversement commencent à dépasser la durée des fronts de montée et de descente du signal. Toute discordance entre l'impédance de ligne équivalente et l'impédance d'entrée de la porte logique du côté réception de la ligne ou l'impédance de sortie du pilote du côté émission entraînera la réflexion du signal plusieurs fois. Les temps de montée et de descente typiques pour les microcircuits de la série KR1554 sont inférieurs à 5 ns, de sorte que les effets de longues lignes désadaptées commencent à apparaître lorsque sa longueur n'est que de cinquante à soixante centimètres.

Connaissant les caractéristiques de la ligne de transmission, telles que la capacité d'entrée totale et la capacité spécifique par unité de longueur, il est possible de calculer le temps de propagation du signal sur toute la longueur de la ligne. Un temps de retard de propagation typique est généralement de 5 à 10 ns/m. Si la longueur de la ligne de connexion est suffisamment longue et que les temps de montée et de descente du signal sont suffisamment courts, le décalage entre la résistance de ligne équivalente et la résistance d'entrée de l'élément logique CMOS côté réception crée une réflexion du signal, l'amplitude dont dépend de la valeur instantanée de la tension appliquée à l'entrée de l'élément et du coefficient de réflexion, qui, à son tour, dépend de la résistance de ligne équivalente et de la résistance d'entrée de la porte d'entrée.

Étant donné que l'impédance d'entrée des éléments IC de la série KR1554 est plusieurs fois supérieure à la résistance équivalente d'une ligne constituée d'une paire torsadée ou d'un conducteur blindé, la tension réfléchie à l'entrée du récepteur double. Ce signal réfléchi se propage le long de la ligne vers l'émetteur, où il est à nouveau réfléchi, et le processus est répété jusqu'à ce que le signal soit complètement atténué.

Nous soulignons en particulier que les réflexions ne sont en aucun cas liées à la fréquence des impulsions de signal transmises, mais sont causées uniquement par la forte pente des fronts des impulsions d'horloge transmises. Pour lutter contre les réflexions dans les circuits professionnels, lorsque vous travaillez sur une longue ligne (100 m ou plus), des pilotes spéciaux sont utilisés qui réduisent la pente des fronts des impulsions d'horloge transmises et éliminent ainsi les erreurs de transmission de données.

Pour un fonctionnement sur une ligne de longueur relativement courte (de 10 à 100 m), les circuits intégrés logiques standard de la série KR1554 (74ACxx) conviennent tout à fait. En raison de leur capacité de charge élevée, une charge capacitive peut être contrôlée directement. Des caractéristiques de sortie (transfert) courant-tension équilibrées (symétriques) des éléments de ces microcircuits permettent d'obtenir quasiment les mêmes temps de front de montée et de descente. De plus, de puissants éléments tampons basés sur des déclencheurs de Schmitt avec hystérésis, dont la valeur minimale est d'environ 0,9 V à une tension d'alimentation de 4,5 V, peuvent être utilisés pour transmettre des signaux à la ligne et recevoir, ce qui crée une marge supplémentaire d'immunité au bruit .

Pour compenser le signal réfléchi dans cet appareil, des intégrateurs ou des chaînes RC d'intégration sont utilisés. Leur nécessité n'apparaît que lorsque vous travaillez sur une ligne de plus de 10 m dans des conditions de niveau d'interférence accru. Dans la version de l'auteur de l'appareil sur des lignes jusqu'à 10 m de long, les condensateurs indiqués dans les schémas des registres de sortie par des lignes pointillées n'étaient pas utilisés. La ligne de communication d'une longueur maximale de 10 m est réalisée par un faisceau de 5 conducteurs, dont "Power "+12V"" et "Fil commun". Dans ce cas, aucune panne n'est constatée, même sans intégration de condensateurs. Avec une longueur de ligne de signal de 10 à 100 m, la diaphonie induite par les conducteurs adjacents augmente. Dans ce cas, chaque ligne de signal : "Data", "Clk1" et "Clk2" doit être réalisée avec une paire torsadée séparée, et les condensateurs indiqués dans le schéma par des lignes en pointillés doivent être installés sur les cartes de registre de sortie. Dans ce cas, les registres déportés et les guirlandes sont alimentés par une alimentation "+12V" séparée.

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Diagramme schématique. Le dispositif dynamique de lumière (Fig. 2) se compose de la carte contrôleur principale et de deux cartes de registre distantes, qui sont connectées à la carte principale à l'aide de trois lignes d'interface série. Un conducteur commun (non représenté sur le schéma) fait également partie de la ligne de raccordement et est constitué d'un fil toronné d'une section d'au moins 1 mm2. La ligne de connexion se termine par une prise DB-9 à 9 broches. La carte de circuit imprimé a un connecteur correspondant XN1 (également non représenté sur le schéma).

La carte contrôleur principale contient : un circuit de réinitialisation sur le trigger de Schmitt DD1.4 et les éléments C3-R6-R7 ; générateur maître sur les éléments DD1.1 ... DD1.3 ; circuit de génération d'impulsions de synchronisation DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; adresse compteur DD6.2 multiplexeur échantillonnage DD9 et compteurs DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 adressage IC EEPROM DD8 ; une barre LED pour indiquer le numéro de page mémoire (HL1…HL4, vert), un indicateur pour augmenter/diminuer la luminosité (HL5, jaune) et un indicateur pour le numéro de l'effet dynamique de la lumière (HL6, rouge). Les registres DD11, DD12 et la ligne LED HL7…HL22 sont installés sur la carte principale pour surveiller les performances de l'appareil. De puissants éléments tampons basés sur des déclencheurs de Schmitt de type KR1554TL2 (74AC14) ont été utilisés comme pilotes pour la traduction du signal. En tant que circuit intégré de mémoire, vous pouvez utiliser non seulement l'EEPROM de type AT28C16, mais également le RPZU de type KR573RF2 (RF5).

Pour développer un programme de contrôle, un contrôleur avec un programmeur intégré, considéré dans [2] et [3], a été utilisé. Il est également possible d'écrire un firmware de contrôle alternatif à l'aide du "Programmateur virtuel" ("Light Effects Dumper"), mais, dans ce cas, il est nécessaire de réaffecter les lignes d'adresse du CI EEPROM (EPROM) lors de sa programmation à l'aide d'un programmeur standard. Cette fonctionnalité est prise en charge par tous les programmeurs industriels de niveau professionnel et la plupart des programmeurs de niveau intermédiaire. La nécessité de réaffecter les lignes d'adresse lors de la programmation de l'EEPROM est due au fait que lors du développement du programmeur discuté dans [2] et [3], un ordre différent (inverse) des lignes d'adresse a été initialement choisi pour la commodité de tracer le circuit imprimé. Pour un contrôleur spécifique [2] et [3], la réaffectation des lignes d'adresse n'affecte en rien le fonctionnement, puisque les données sont lues dans le même ordre dans lequel elles ont été écrites. Lors du développement du CDS « onde progressive », l'ordre de numérotation des lignes d'adresse a été conservé pour assurer la compatibilité de cet appareil avec le programmateur [2] and [3].

Mais le tableau montre une variante du firmware des effets dynamiques d'éclairage, généré à l'aide du programme "Virtual Programmer" ("Light Effects Dumper"), afin que les lecteurs puissent visualiser le firmware à l'aide du programme "Virtual Simulator" ("Light Effects Reader") , disponible sur le lien [4 ], et se familiariser avec les principes de fonctionnement de l'appareil et le développement d'un programme de contrôle.

Comment ça marche?. Lors de la mise sous tension, le circuit d'intégration C3-R6, associé au déclencheur de Schmitt DD1.4, génère une courte impulsion positive qui réinitialise les compteurs DD2.1 ... DD6.2 (sauf pour DD3.1, qui est non utilisé) et, par conséquent, réinitialise le contrôleur à son état d'origine. Les impulsions de l'oscillateur maître DD1.1 ... DD1.3 avec une fréquence d'environ 130 kHz (plus précisément 131072 Hz) synchronisent le compteur DD6.1, suivi de DD6.2 et du reste des compteurs d'adresses. Pour l'avenir, disons qu'un cycle complet d'augmentation-diminution de la luminosité de "l'onde progressive" d'une durée égale à deux secondes correspond à la fréquence de l'oscillateur maître exactement 131072 Hz. Cette valeur est dérivée d'un taux de mise à jour du registre de sortie de 128 Hz, ce qui est bien supérieur à la valeur ergonomique de 85 Hz. Un tel taux de mise à jour des données est nécessaire pour éliminer le scintillement des éléments lumineux et créer l'illusion d'un changement de luminosité en douceur.

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Le chronogramme de formation des impulsions de synchronisation est représenté sur la Fig.3. On peut en déduire que pour chaque impulsion de synchronisation des registres de sortie ("Clk2"), qui est formée à la sortie de l'élément DD7.2 (broche 6), il y a 16 impulsions de synchronisation des registres tampons ("Clk1 "), qui font partie de l'IC 74AC595. De plus, le front positif de l'impulsion de synchronisation ("Clk1"), qui est formé à la sortie de l'élément DD4.3 (broche 6), tombe au milieu de la familiarité de la transmission des bits de données. La synchronisation du registre tampon aux moments tombant au milieu de la familiarité, telle qu'établie par expérience, selon les résultats des tests de la version de base du contrôleur [1], correspond à l'immunité maximale au bruit lorsque vous travaillez sur des lignes non coordonnées de grande longueur. Dans le même temps, il n'est pas nécessaire d'utiliser des intégrateurs aux entrées des registres distants.

La toute première impulsion négative, à compter de la mise sous tension, formée à la sortie de l'élément DD4.3 (broche 6), avec son front arrière (chute positive) écrit le bit de données lu dans la première cellule du EEPROM à l'adresse zéro (0000h) dans les premiers registres tampons déclencheurs qui font partie de l'IC DD11 et DD14 avec un décalage simultané des informations dans le sens des bits croissants. Le contenu des registres de sortie inclus dans les IC DD11, DD12, DD14, DD16 ne change pas et les bandes de LED affichent la combinaison lumière-dynamique actuelle. Comme indiqué ci-dessus, la longueur de mot de la séquence PWM est de 16 bits, par conséquent, pour afficher un niveau (gradation) de luminosité sur une ligne de 16 LED, il est nécessaire de transférer un paquet de données de 16 x 16 = 256 bits d'information aux registres, ce qui correspond conditionnellement à une page de l'espace EEPROM d'adresse. Ainsi, un cycle complet de fondu enchaîné prend 32 pages d'espace d'adressage ou 8K, dont les 16 premières pages (4K) sont un demi-cycle d'augmentation de la luminosité, et la seconde moitié, également 16 pages (également de taille 4K) est un demi-cycle de diminution de la luminosité, en comptant par rapport au premier canal.

Le front négatif de chaque impulsion positive de la sortie 2 (broche 4) du compteur DD6.1 augmente l'état du compteur DD6.2 de un, et, par conséquent, connecte à la sortie du multiplexeur DD9 son entrée décimale, correspondant à l'équivalent binaire du code, qui, à son tour, est connecté à la sortie des données binaires correspondantes IC EEPROM DD8. Après avoir écrit 16 bits de données dans les registres tampons des CI DD11, DD12, DD14, DD16, le front descendant (front positif) de l'impulsion négative générée à la sortie de l'élément DD7.2, le contenu des registres tampons de les IC DD11, DD12, DD14, DD16 sont écrasés dans leurs registres de sortie respectifs. Dans le même temps, une nouvelle combinaison est fixée sur les lignes LED HL7 ... HL22 et HL23 ... HL38. Mais la valeur de luminosité totale (intégrale) correspond exactement à seize paquets de 16 bits, c'est-à-dire 16 x 16 = 256 bits de données transférés aux registres sur les lignes série comme indiqué ci-dessus.

Le changement de niveaux (gradations) de luminosité est indiqué par une ligne de LED HL1 ... HL4, qui affiche l'état du compteur DD3.2 dans un code binaire. Comme on peut le voir sur le circuit électrique (Fig. 2), les impulsions de comptage arrivent à l'entrée DD3.2 depuis la sortie DD2.2 après avoir divisé par huit à l'aide du compteur DD2.1. Une telle division de fréquence des impulsions de sortie DD2.2 est nécessaire pour une augmentation de luminosité plus lente que celle qui pourrait être obtenue sans division de fréquence à l'aide du compteur DD2.1.

Les compteurs DD3.2 et DD5.1 ​​adressent la première moitié de l'espace IC EEPROM DD8 à l'état zéro du compteur DD5.2 et la seconde moitié de l'espace d'adresse IC EEPROM DD8 à l'état simple de ce compteur. Le mode de sélection des effets lumineux - manuel ou automatique - est réglé par le commutateur SA1. Dans la position indiquée sur le schéma, les effets s'alternent automatiquement après quatre répétitions. Ceci est réalisé en fournissant des impulsions de comptage de la sortie du troisième chiffre DD5.1 ​​​​(broche 5) à l'entrée du compteur DD5.2. Dans la position inférieure, selon le schéma, du commutateur SA1, de courtes impulsions positives sont reçues à l'entrée du compteur DD5.2 lorsque le bouton SB1 est enfoncé. Les compteurs d'état DD5.1 ​​et DD5.2 indiquent respectivement des LED jaune (HL5) et rouge (HL6).

Construction et détails. Le contrôleur principal est assemblé sur une carte de circuit imprimé en fibre de verre double face de dimensions 140 x 90 mm et d'une épaisseur de 1,5 mm (Fig. 4), et les registres de sortie (Fig. 5) mesurent 90 x 30 mm ( figure 6). L'appareil utilise des résistances fixes de type MLT-0,125, des résistances d'accord - SP3-38b, des condensateurs non polaires (C1 ... C3, C8 ... C10, C12 ... C14) de type K10-17, oxyde (C4 ... C7, C11, C15) - K50-35 ou importé. Des LED super lumineuses d'un diamètre de 3 mm (HL1…HL6) et d'un diamètre de 5 mm (HL7…HL22) sont installées sur la carte contrôleur principale, et des LED super lumineuses de quatre couleurs KIPM-15 d'un diamètre de 10 mm sont placés dans une séquence alternée dans une guirlande à distance.

Compte tenu de la différence de chute de tension entre les LED polarisées en direct (pour le rouge et le jaune, cette valeur est de 2,1 V, et pour le bleu et le vert - 3,0 V), il est nécessaire de connecter les résistances de limitation correspondantes en série avec les LED : 220 et 150 Ohm . Pour contrôler une charge puissante, les registres de sortie doivent être complétés par des commutateurs à transistor ou à triac. Il est possible d'utiliser directement sur site une puce mémoire EEPROM de type AT28C16-15PI de type RPZU de type KR573RF2 ou KR573RF5 sans modifier le motif du circuit imprimé.

Les compteurs de type KR1564 IE23 (74HC 4520N) peuvent être remplacés par K561 IE10 (CD4520AN), à l'exception des CI DD3, DD5, aux sorties desquelles des voyants LED sont connectés. Le multiplexeur DD9 type KR1564 KP7 (74HC 151) remplacera KR1564 KP15 (74HC 251). La ligne de raccordement d'une longueur maximale de 10 m est constituée d'un faisceau de 4 conducteurs multibrins d'une section de 0,35 mm2 (pour les lignes de signal) et de 1 mm2 (fil "commun") isolément, et d'une longueur de 10 à 100 m, les lignes de signal doivent être réalisées en paires torsadées séparées , et sur les cartes des registres de sortie, installez des condensateurs d'intégration d'une capacité ne dépassant pas 150 pF.

La préparation au fonctionnement de l'appareil assemblé à partir de pièces réparables et sans erreurs consiste à écrire le micrologiciel sur l'EEPROM IC (EPROM) à l'aide d'un programmeur standard. Dans ce cas, il est nécessaire de réattribuer par programme l'ordre des lignes d'adresses de l'EEPROM IC en sélectionnant l'option appropriée dans le programme. Avant de programmer la puce EEPROM, le fichier texte du programme (voir tableau) doit être converti au format binaire à l'aide de l'un des programmes de conversion gratuits, par exemple [5]. Vous pouvez sélectionner la vitesse de lecture souhaitée pour les effets d'éclairage dynamiques à l'aide de la résistance ajustable R3 sur la carte contrôleur principale.

sources

1. Odinets A. L. "SDU programmable à 16 canaux et simulateur virtuel." - « Électricien », 2008, n° 4, p. 72-75, n° 5, p. 76-79.
2. Odinets A. L. "Dispositif dynamique de lumière programmable autonome à 32 canaux avec une interface série." - "Radioamator", 2005, n°6, p.20-23., n°7, p.22-23.
3. Odinets A. L. "Dispositif dynamique de lumière programmable autonome à 32 canaux avec une interface série." (Version améliorée.) - "Électricien", 2008, n° 11-12, p. 76-79., 2009, n° 1-2, p. 44-48.
4. lumières dynamiques.narod.ru/LightEffectsReader.rar
5. winhex.com

Auteur : Odinets A.L.

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