Программируемое автономное 32-канальное СДУ

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. Такое устройство можно выполнить, к примеру, на одном микроконтроллере и нескольких регистрах, в качестве интерфейсных схем, для управления набором световых элементов. Но, несмотря на простоту схемотехнических решений, изготовление таких устройств в условиях радиолюбительской лаборатории ограничено, по причине неизбежности использования дорогостоящего программатора или компьютера. С другой стороны, применение распространенных микросхем стандартной логики позволяет построить полностью автономное многоканальное светодинамическое устройство с интегрированным программатором, не требующее использования никаких дополнительных программаторов, вообще, или компьютера, в частности. Это позволяет всего за несколько минут перепрограммировать набор светодинамических эффектов в полностью автономном режиме. Применение последовательного интерфейса, реализованного в данном устройстве, позволяет управлять одновременно и синхронно несколькими гирляндами световых элементов по трем сигнальным линиям (не считая общего провода), общая длина которых может достигать 100 м. 

Общие сведения 

Программируемое автономное 32-канальное СДУ является усовершенствованным вариантом устройства, опубликованного в [1], и позволяет управлять независимо каждым из 32 световых элементов гирлянды по 3 соединительным линиям последовательного интерфейса. В модернизированном варианте устройства учтены все особенности работы контроллера на несогласованные линии большой длины. Такое построение СДУ позволяет наращивать число элементов с минимальными аппаратными затратами без увеличения жгута проводов и располагать гирлянду на большом удалении от основной платы контроллера. Разнообразие светодинамических эффектов не ограничено и зависит от воображения пользователя. В такой архитектуре заложена потенциальная возможность наращивания числа световых элементов без существенного изменения протокола последовательного интерфейса. (Об этом будет сказано ниже). 

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 элементов [2]. Наращивание их числа требует использования дополнительных микросхем памяти и соответствующего увеличения жгута проводов. 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. 

Практика повторения светодинамических устройств, например [2], показывает, что публикуемые прошивки, к сожалению, далеки от совершенства и содержат грубые ошибки. А ведь, пользователь ожидает результатом  работы устройства получить именно эстетический визуальный эффект. Поэтому, такой подход к разработке программного кода напрочь отбивает желание повторять программируемые светодинамические устройства, несмотря на большое многообразие эффектов, реализуемых программным способом. Предлагаемое устройство лишено этого недостатка, и, прежде чем записать в память текущую светодинамическую комбинацию, она отображается на контрольной линейке светодиодов, что позволяет полностью исключить возможные ошибки, которые могут быть допущены пользователем в процессе программирования. 

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 12,5 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: 80 мкс x 32 импульса=2,56 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. 

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 в светодинамической системы означает нарушение эстетического эффекта. Это накладывает ограничения на длину соединительной линии и предъявляет жесткие требования к помехоустойчивости системы, использующей последовательный интерфейс. 

Помехоустойчивость  системы, использующей последовательный интерфейс, 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 [3]. За пороговое напряжение переключения инвертирующего логического элемента принимается такое значение, 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 [3]. 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 (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. Применение более совершенных ИМС ТТЛШ-структуры (серии КР1533) не решает проблемы, поскольку пороговое напряжение для них ненамного больше и составляет всего 1,52 В при стандартном напряжении питания [3]. Чтобы частично скомпенсировать отраженный сигнал часто используют обычные RC-фильтры (так называемые интегрирующие цепочки), но они же сами и вносят искажения 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. 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. 

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!). Кроме того, для трансляции сигналов в линию использованы мощные буферные элементы с триггерами Шмитта типа КР1554ТЛ2, высокая нагрузочная способность которых позволяет непосредственно управлять емкостной нагрузкой. 

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 в несколько десятков 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 (т.е. высока крутизна), 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. 

Преимущество  микросхем структуры КМОП, благодаря  их высокой нагрузочной способности (серия КР1554), заключается в возможности непосредственно управлять нагрузкой, имеющей емкостной характер. Сбалансированные (симметричные) вольтамперные 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 буферные элементы на основе триггеров Шмитта, которые восстанавливают строго прямоугольную форму искаженного сигнала, и тем самым, исключают ложное срабатывание регистров. Кроме того, наличие гистерезиса на передаточной характеристике (при напряжении питания 5 В для ИС КР1564ТЛ2 это значение составляет примерно 400 мВ) создает дополнительный запас помехоустойчивости [3].

Устройство содержит два параллельно включенных регистра. Один из них — контрольный, установленный на основной плате устройства. К выходам его микросхем (DD18 — DD21) подключены светодиоды, по которым производится визуальное наблюдение процесса программирования. Второй — выходной регистр (DD23, DD25, DD27, DD29) — 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 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 C4R12 тактового ВЧ-генератора, собранного на элементах DD3.3, DD3.4, и установке движка подстроечного резистора R13 в положение, соответствующее максимальному сопротивлению (что соответствует частоте ВЧ-генератора FT=20 КГц) и выполнении сигнальных проводников линии витыми парами проводов, ее длина может достигать 100 метров.