Программируемое автономное 32-канальное СДУ

В устройстве использована ИМС энергонезависимой памяти с электрическим стиранием (ЭСППЗУ) объемом 16 Кбит (16384 бита) типа AT28C16-15PI. Объем памяти, соответствующий одной комбинации, составляет 32 бита. Полный цикл формирования светодинамического эффекта, например, "бегущего огня" состоит из 32-х комбинаций. Таким образом, объем памяти, занимаемый таким эффектом, составляет 32х32=1024 бита, следовательно, максимальное количество эффектов этого типа, которые одновременно могут быть записаны в ЭСППЗУ, составляет 16384/1024=16. Следует учитывать, что указанный эффект является самым ресурсоемким, поэтому реальное количество светодинамических эффектов, которые занимают меньше адресного пространства ЭСППЗУ, может быть значительно большим. Для получения еще большего количества эффектов, при неизменном числе элементов гирлянды, объем памяти может быть увеличен, к примеру, до 64 Кбит заменой ИМС ЭСППЗУ на AT28C64-15PI и увеличением разрядности адресного счетчика. 

Процесс программирования 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 ЭСППЗУ сформированной комбинации производится по однократному нажатию кнопки SB3 — "Сохранение комбинации". При этом автоматически формируется последовательность импульсов, при которой происходит запись в ЭСППЗУ текущего состояния контрольного регистра. Следует особо подчеркнуть, что такой алгоритм программирования 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. 

Принцип работы 

Схема электрическая  принципиальная автономного программируемого 32-канального СДУ приведена на рис. 1. На схеме в явном виде показано подключение одного выходного регистра, состоящего из 8 микросхем, 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 может  работать в двух режимах: программирования и считывания. (На схеме показано положение переключателя SA1, соответствующее  режиму воспроизведения). Режим программирования устанавливается в нижнем (по схеме) положении переключателя SA1. Этот режим индицирует включение красного светодиода НL2. При этом блокируется работа НЧ-генератора прямоугольных импульсов, собранного на элементах DD3.1, DD3.2 и на выходе элемента DD3.2 (вывод 6) формируется низкий логический уровень. Последовательное нажатие кнопок SB1, SB2 приводит к появлению уровней логического "0" на выходах "1Q" или "2Q" микросхемы DD2, содержащей 4 одинаковых независимых RS-триггера. Появление любого из этих уровней на выходах "1Q" или "2Q", а значит на одном из входов элемента DD1.2, приводит к формированию на его выходе положительного импульса и его последующему ограничению по длительности дифференцирующей цепочкой С2R10. Поскольку на входах "S0", "S1" мультиплексора DD14 были установлены логические "нули", то на его выходы поступит информация с входов "A0", "B0". При этом, какой уровень будет записан в первый разряд регистров DD18, DD23 зависит от нажатой кнопки SB1 или SB2. При нажатии SB1 будет записана логический ноль, при нажатии SB2 —логическая единица. 

После введения комбинации на контрольную линейку светодиодов HL12-HL43, а значит — и в контрольные регистры DD18-DD21, нажимают кнопку SB3. При этом инициируется цикл записи текущей комбинации в ЭСППЗУ, состоящий из 4-х тактов. В каждом такте производится запись в буферный регистр DD16 содержимого регистра DD21, перезапись его в ЭСППЗУ, сдвиг информации, содержащейся в контрольных регистрах DD18-DD21, вправо на 8 разрядов и запись содержимого регистра DD21 в регистр DD18. Таким образом, по завершению 4-го такта, в ЭСППЗУ будет записано содержимое всех 4-х ИМС контрольного регистра с одновременным обновлением их состояния. 

При нажатии  кнопки SB3 на выходе "3Q" третьего RS-триггера ИМС DD2 формируется положительный  импульс, равный по длительности времени  нажатия кнопки. Этот импульс, после инвертирования элементом DD4.1 и ограничения по длительности дифференцирующей цепочкой C3R11 устанавливает 4-ый RS-триггер ИМС DD2 в единичное состояние. Логическая единица с его выхода "4Q" (вывод 13) разрешает работу ВЧ-генератора, выполненного на элементах DD3.3, DD3.4 и одновременно запрещает индикацию текущей светодинамической комбинации, содержащейся в контрольном и выходном регистрах. Это необходимо для устранения эффекта мерцания малоинерционных светодиодов в процессе загрузки новой комбинации. Также этот уровень воздействует на входы логических элементов DD11.1, DD11.2 и вызывает появление на выходе последнего из них уровня логической "1", которая, воздействует на вход "S0" (вывод 14) мультиплексора DD14 и разрешает прохождение на выходы (выводы 7 и 9) информации с его соответствующих входов "A1", "B1". Поскольку в момент включения питания отрабатывает схема обнуления счетчиков DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1, то в начальный момент времени первого из 4-х тактов цикла записи на выходах "0" (выводы 3) счетчиков DD6, DD7 формируются уровни логической единицы. 

Отрицательный перепад первого импульса положительной  полярности на входе "CP" (вывод 13) счетчика DD6 приведет к появлению  на выходе "1" (вывод 2) уровня логической единицы, а значит и уровня "1" на выходе элемента DD5.2. Этот уровень, "проходя" через нижний, по схеме, мультиплексор DD14 и инвертируясь триггером Шмитта DD17.3, воздействует на входы стробирования "C" (выводы 12) контрольных регистров DD18-DD21 (см. диаграмму на рис. 2: отрицательный перепад "CLK1"). 

Этот логический уровень на выходе элемента DD5.2 сохранится до момента спада третьего импульса на входе "CP" счетчика DD6 (см. диаграмму  на рис. 2: положительный перепад (фронт) "CLK1"). В этот период времени, между спадами 1-го и 2-го импульсов, на выходе инвертора DD4.4 будет сформирован отрицательный импульс (см. диаграмму на рис. 2: "CLK2"). Этот импульс, после повторения верхним по схеме мультиплексором, входящим в состав ИМС DD15, произведет запись в буферный регистр DD16 одного бита информации с выхода "PR" (вывод 17) последнего разряда контрольного регистра DD21. Положительный перепад импульса на выходе инвертора DD4.4 совпадает по времени со спадом 2-го импульса на входе "CP" счетчика DD6 (см. диаграмму на рис. 2: фронт "CLK2"). По спаду 3-го импульса на входе "CP" счетчика DD6, на выходе элемента DD5.2 будет сформирован положительный перепад ("CLK1"), который, после повторения нижним по схеме мультиплексором ИМС DD14 и инвертирования триггером Шмитта DD17.3, произведет запись одного бита информации c выхода "PR" последнего разряда контрольного регистра DD21 в первый разряд регистра DD18. Мощные триггеры Шмитта DD17.1 и DD17.2 (входящие в состав ИМС КР1554 ТЛ2) введены в устройство для непосредственной работы на линию, имеющую емкостной характер нагрузки, а также для предотвращения попадания отраженного из линии сигнала на входы контрольных регистров, посредством разделения соответствующих сигнальных цепей. 

Описанная процедура повторяется 8 раз до момента заполнения буферного регистра DD16 и перезаписи содержимого регистра DD21 в регистр DD18. По завершению 8-го отрицательного импульса синхронизации на входе "C" буферного регистра (см. диаграмму на рис. 2: фронт "СLK2"), в регистр DD16 будет полностью переписано текущее состояние регистра DD21. Это произойдет по спаду 58-го импульса на входе "CP" счетчика DD6. 

По этому спаду, счетчик DD6 перейдет в 3-е состояние. Поскольку к этому времени  счетчик DD7 уже был в 7-ом состоянии, то два сигнала уровня логической единицы, приходящие на входы элемента DD12.1, вызовут появление на его выходе уровня логического нуля. Таким образом, на выходе элемента DD12.1 будет сформирован отрицательный импульс ("CS", см. рис. 2), равный по длительности периоду следования импульсов ВЧ-генератора, выполненного на элементах DD3.3, DD3.4. После "прохождения" через нижний, по схеме, мультиплексор ИМС DD15 (напомним, что на его входе "S0" установлен уровень "нуля", заданный переключателем SA1) этот отрицательный импульс осуществляет выборку кристалла ИМС ЭСППЗУ DD15 по входу "CS" ("Chip Select"—"Выбор Кристалла") и, тем самым, производит параллельную запись 8-ми бит информации, сформированных на выходах буферного регистра DD16 по адресу, установленному на входах A0-A10 ЭСППЗУ DD13. 

Визуальный контроль заполнения адресного пространства ИМС ЭСППЗУ DD13 производят по линейке  светодиодов HL3 — HL11, отображающих текущий  адрес двоичных счетчиков DD8.1, DD8.2, DD9.1. Первые шесть светодиодов HL3—HL9, зеленого цвета индицируют заполнение первых 25% адресного пространства, желтый HL10 в сочетании с зелеными — от 25 до 50%, красный HL11 в сочетании с желтым и зелеными — от 50 до 100%. Одновременное свечение всех светодиодов в режиме записи указывает на заполнение всего адресного пространства ЭСППЗУ, кроме ячеек по четырем последним адресам. После записи светодинамической комбинации по четырем последним адресам, счетчики DD8.1, DD8.2 устанавливаются в нулевое состояние, а DD9.1 — в восьмое, что сопровождается погасанием светодиодов HL3—HL11. На всех адресных линиях устанавливаются уровни "нулей". При этом запись программы может быть произведена повторно. 

Режим чтения устанавливается  переводом переключателя SA1 в верхнее, по схеме, положение, чему соответствует включение зеленого светодиода HL1. В этот режим устройство можно перевести в любой момент, даже не завершая программирование всего адресного пространства ЭСППЗУ. В этом случае будет воспроизведена программа, записанная ранее по адресам, начиная с текущего и до конца адресного пространства, а затем, цикл воспроизведения программы продолжится, начиная с нулевого адреса ЭСППЗУ. Если режим чтения задан до включения питания, схема сброса, собранная на элементах C6R15, DD1.3, DD1.4, DD5.1 установит в нулевое состояние счетчики DD6, DD7, DD8.1, DD8.2, DD9.1. В этом режиме уровень логической единицы с левого, по схеме, вывода переключателя SA1 разрешит работу НЧ-генератора, выполненного на элементах DD3.1, DD3.2 с частотой около 10 Гц. Импульсы положительной полярности с выхода элемента DD3.2, после инвертирования элементом DD4.1 и ограничения длительности дифференцирующей цепочкой С3R11, будут вызывать установку в единичное состояние 4-го RS-триггера ИМС DD2. В этом режиме спад первого положительного импульса на входе "CP" счетчика DD6 установит последний в единичное состояние, что приведет к переключению в нулевое состояние элемента DD10.1. Уровень логического нуля с его выхода, инвертируясь элементом DD10.2, воздействует на вход элемента DD11.4 и совместно с уровнем "единицы", приходящим на второй вход этого элемента, устанавливает на его выходе также уровень "1". Этот уровень приведет к переключению выходов буферного регистра DD16 в третье состояние, — теперь они стали входами (см. диаграмму на рис. 2: фронт "SL"). По спаду второго импульса на входе "CP" счетчика DD6 на его выходе "2" (вывод 4) появляется уровень логической "1", который переводит элемент DD5.3 в единичное состояние. Единичный уровень с его выхода воздействует на вход элемента DD12.3 и в сочетании c уровнем логической единицы, приходящей на второй вход этого элемента, установит на его выходе уровень логического нуля. Этот логический уровень, воздействуя на вход "ОЕ" ("Output Enable"—"Разрешение Выходов") ИМС ЭСППЗУ DD13 приводит к переключению ее выходов в активное состояние (см. диаграмму на рис. 2: спад "OE"), а также, "проходя" через нижний, по схеме, мультиплексор DD15 (поскольку на его входе "S0" теперь установлен уровень "1"), приводит к выбору ИМС ЭСППЗУ DD13, по входу "CS". На выходах "D0"—"D7" ЭСППЗУ появляются данные, записанные по текущему адресу, установленному в данный момент на адресных входах "A0"—"A10". 

Одновременно, по спаду второго импульса на входе "CP" счетчика DD6, начинается формирование отрицательного импульса параллельной записи в буферный регистр DD16 (см. диаграмму на рис. 2: первый спад "CLK2"). Этот импульс формируется на выходе элемента DD11.3 в начале каждого из 4-х тактов цикла чтения, т.е. перед началом формирования каждого из 8-ми импульсов синхронизации ("CLK1") контрольного и выходного регистров. Формирование импульса параллельной записи в буферный регистр DD16 (см. диаграмму на рис. 2: первый фронт "CLK2") завершится по спаду третьего импульса на входе "CP" счетчика DD6. По спаду четвертого импульса на входе "CP" счетчика DD6, элемент DD12.3 переключится в состояние логической единицы, что в свою очередь переведет выходы ИМС ЭСППЗУ DD13 в третье (высокоомное) состояние (см. диаграмму на рис. 2: фронт "OE").Спад пятого импульса на входе "CP" счетчика DD6 приведет к переключению выходов буферного регистра DD16 в активное состояние (см. диаграмму на рис. 2: спад "SL"). Разнесение по времени моментов включения и выключения выходных каскадов буферного регистра DD16 и ЭСППЗУ DD13 необходимо для корректной согласованной работы выходных каскадов этих микросхем. Как видно из временной диаграммы режима чтения (см. рис. 2), сначала происходит выключение выходов "D0"—"D7" ЭСППЗУ DD13, затем, через 1 такт ВЧ-генератора, — включение выходов "1"—"8" буферного регистра DD16. Еще через 2 такта происходит выключение выходов DD16, и, еще через 1 такт, — теперь уже, включение выходов DD13. 

По спаду 6-го импульса на входе "CP" счетчика DD6 начинается одновременное формирование импульсов чтения ("CLK2") буферного  регистра DD16 и записи ("CLK1") в контрольные регистры DD18—DD21. Формирование импульса записи (см. диаграмму на рис. 2: фронт "CLK1") в регистры DD18-DD21 закончится на 1 такт ранее окончания формирования импульса чтения (см. диаграмму на рис. 2: второй фронт "CLK2") буферного регистра DD16. В результате, содержимое буферного регистра DD16 будет переписано в регистр DD18, а содержимое последнего будет последовательно переписано в регистр DD19 и так далее. После завершения цикла чтения текущей комбинации, на выходе "2" (вывод 4) счетчика DD8.1 формируется отрицательный перепад, который, после ограничения длительности дифференцирующей RC-цепочкой C5R14 и инвертирования элементом DD1.3, приводит к обнулению счетчиков DD6, DD7 и установке в нулевое состояние 4-го RS-триггера ИМС DD2. Низкий логический уровень с его выхода приводит к блокировке работы ВЧ-генератора, собранного на элементах DD3.3, DD3.4. На выходе элемента DD3.4 устанавливается постоянный уровень логического нуля. Одновременно, уровень "нуля", с выхода "4Q" (вывод 13) четвертого RS-триггера DD2, переводит в активное состояние выходы контрольных DD18—DD21, и выходных DD23, DD25, DD27, DD29 регистров и разрешает индикацию текущей светодинамической комбинации. При этом на выходах регистров зафиксируется кодовая комбинация и, до момента очередного положительного перепада импульса на выходе НЧ-генератора, будет отображаться на линейке светодиодов.