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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 광역학 장치 진행파. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / Освещение 추상. 프로그래밍 가능한 알고리즘이 있는 광역학 장치(SDU)를 사용하면 프로그램에 따라 다양한 광역학 효과를 만들고 많은 수의 조명 요소를 제어할 수 있습니다. 개별 밝기 제어 기능이 있는 LED와 달리 선형(부드러운) 밝기 제어 기능이 있는 LED는 각 채널에 대해 별도의 하드웨어 PWM 컨트롤러를 사용해야 합니다. 따라서 이러한 장치의 복잡성은 조명 요소의 수에 비례하여 증가합니다. 이 기사에서는 회로 솔루션의 단순성과 16개의 하드웨어 PWM 컨트롤러의 소프트웨어 구현 에뮬레이션을 결합한 부드러운 밝기 제어 기능이 있는 SDU의 16채널 버전에 대해 설명합니다. 개요. 선형 법칙에 따라 많은 조명 요소의 밝기를 동시에 동기식으로 제어하려면 각 채널에 대해 별도의 하드웨어 PWM 컨트롤러를 사용해야 할 뿐만 아니라 이러한 컨트롤러의 작동을 채널 간 특정 위상 편이와 동기화해야 합니다. 제안된 장치는 [16]에서 논의된 직렬 인터페이스가 있는 프로그래밍 가능한 1채널 컨트롤러의 아키텍처를 기반으로 합니다. 차이점은 EEPROM IC의 읽기 알고리즘 및 펌웨어뿐 아니라 74AC595와 같은 보다 복잡한 출력 레지스터의 사용에 있습니다. 이 레지스터는 16개의 트리거 셀로 구성되며 처음 XNUMX개는 버퍼 레지스터의 일부이고 나머지 XNUMX개는 출력의 일부입니다. 직렬 인터페이스를 사용하면 메인 컨트롤러의 회로를 상당히 복잡하게 만들지 않고 최소한의 하드웨어 비용으로 조명 요소의 수를 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 직렬 인터페이스 라인을 통해 여러 세트의 조명 요소를 동시에 동기식으로 제어할 수 있습니다. 100m 가장 간단한 경우 SDU는 PWM 시퀀스 워드 길이가 16비트인 "진행파" 유형의 두 가지 조명 효과를 구현합니다. 효과는 XNUMX회 반복 후 자동으로 변경되거나 버튼을 눌러 수동으로 선택됩니다. EEPROM IC에서 사용하는 메모리 양이 증가함에 따라 채널 수, 효과 수 및 PWM 시퀀스의 워드 길이를 늘릴 수 있습니다.
부드러운 밝기 제어를 위해 이 장치는 PWM(Pulse Width Modulation) 원리를 사용합니다. PWM은 직사각형 캐리어 주파수 펄스의 지속 시간(폭)을 변경하여 디지털 신호를 인코딩하는 방법입니다. 무화과에. 1은 일반적인 PWM 파형을 보여줍니다. 펄스 폭 변조를 사용하면 펄스 주파수와 주기(T)가 변경되지 않고 펄스 지속 시간(t)이 감소함에 따라 펄스 사이의 일시 중지가 증가합니다(그림 1의 다이어그램 "B"). , 반대로 지속 시간이 증가하면 맥박 일시 중지가 감소합니다(그림 1의 플롯 "B"). 우리의 경우 LED를 켜는 것은 레지스터 출력에서 논리 1 레벨의 모양에 해당하므로 펄스 듀티 사이클이 증가함에 따라 밝기가 증가하고 (그림 1의 플롯 "B") 반대로 밝기가 증가합니다. 듀티 사이클이 감소함에 따라 감소합니다(그림 XNUMX의 플롯 "C"). 펄스 듀티 사이클은 지속 시간에 대한 펄스 반복 주기의 비율임을 상기하십시오. 듀티 사이클은 무차원 수량이며 측정 단위가 없지만 백분율로 표시할 수 있습니다. 이 장치는 PWM 시퀀스의 16비트 워드 길이를 사용하며, 이는 조명 요소의 밝기의 16계조에 해당합니다. 이러한 밝기의 단계는 16초를 초과하지 않는 "진행파"의 상승 및 하강 기간과 함께 시각적으로 부드러운 밝기 변화에 충분합니다. 밝기 변경 기간이 XNUMX초 또는 XNUMX초로 증가하면 밝기 레벨(그라데이션) 간의 전환이 시각적으로 눈에 띄게 되므로 PWM 시퀀스의 단어 길이를 늘려야 합니다. 그러나 대부분의 응용 프로그램에서 매우 느린 효과 재현이 필요하지 않은 경우 XNUMX단계의 밝기로 충분합니다. 조명 요소의 원격 세트를 제어하기 위해 직렬 인터페이스의 세 가지 신호 라인인 "Data", "Clk1" 및 "Clk2"가 사용됩니다. 첫 번째 줄 "Data"는 정보 신호이고 다른 두 줄인 "Clk1"과 "Clk2"는 각각 IC 74AC595의 일부인 버퍼 및 출력 레지스터의 스트로브 신호입니다. 조정되지 않은 긴 통신 회선에서 작동할 때 잘 알려진 신호 반사와 동일한 번들에 포함된 인접 전도체에 의해 유도된 누화로 인해 데이터 전송 문제가 발생합니다. 빛의 역학 시스템에서 발생하는 이러한 반사 및 간섭은 미적 효과의 위반을 의미합니다. 이는 연결 라인의 길이에 제한을 가하고 직렬 인터페이스를 사용하는 시스템의 잡음 내성에 대한 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 이러한 시스템의 노이즈 내성은 전송된 신호의 펄스 주파수 및 모양, 펄스 레벨(듀티 사이클)의 변화 사이의 시간, 번들에 포함된 라인 컨덕터의 특정 커패시턴스 등 여러 요인에 따라 달라집니다. , 등가 라인 저항, 신호 수신기의 입력 임피던스 및 드라이버의 출력 임피던스. 긴 불일치 라인의 영향은 라인과 라인을 따라 신호 전파 지연 시간이 신호의 상승 및 하강 전선의 지속 시간을 초과하기 시작할 때 나타나기 시작합니다. 등가 라인 임피던스와 라인의 수신측에 있는 논리 게이트의 입력 임피던스 또는 송신측에 있는 드라이버의 출력 임피던스 사이의 불일치는 신호가 여러 번 반사되도록 합니다. KR1554 시리즈 마이크로 회로의 일반적인 상승 및 하강 시간은 5ns 미만이므로 길이가 XNUMX~XNUMXcm에 불과할 때 긴 불일치 라인의 영향이 나타나기 시작합니다. 총 입력 커패시턴스 및 단위 길이당 특정 커패시턴스와 같은 전송 라인의 특성을 알면 전체 라인 길이에 따른 신호 전파 지연 시간을 계산할 수 있습니다. 일반적인 전파 지연 시간은 일반적으로 5-10ns/m입니다. 연결 라인의 길이가 충분히 길고 신호의 상승 및 하강 시간이 충분히 짧으면 등가 라인 저항과 수신 측 CMOS 논리 소자의 입력 저항 사이의 불일치가 신호 반사를 생성하고 진폭은 그 중 요소 입력에 인가되는 전압의 순시값과 반사계수에 따라 달라지며, 다시 등가 선로 저항과 입력 게이트의 입력 저항에 따라 달라집니다. KR1554 계열 IC 소자의 입력 임피던스는 연선이나 차폐 도체로 이루어진 선로의 등가 저항보다 몇 배나 크기 때문에 수신기 입력에서 반사 전압은 두 배가 됩니다. 이 반사된 신호는 라인을 따라 다시 송신기로 전파되며, 여기서 다시 반사되고 신호가 완전히 감쇠될 때까지 프로세스가 반복됩니다. 특히 반사는 전송된 신호 펄스의 주파수와 관련이 없으며 전송된 클록 펄스 전면의 높은 가파른 정도에 의해서만 발생한다는 점을 강조합니다. 전문 회로의 반사를 방지하기 위해 긴 라인(100m 이상)에서 작업할 때 전송된 클록 펄스의 전면 경사도를 줄여 데이터 전송 오류를 제거하는 특수 드라이버가 사용됩니다. 상대적으로 짧은 길이(10~100m)의 라인에서 작동하려면 KR1554 시리즈(74ACxx)의 표준 로직 IC가 매우 적합합니다. 높은 부하 용량으로 인해 용량성 부하를 직접 제어할 수 있습니다. 이러한 미세 회로 요소의 균형(대칭) 전류-전압 출력(전송) 특성으로 인해 거의 동일한 상승 및 하강 프런트 시간을 얻을 수 있습니다. 또한 0,9V의 공급 전압에서 최소값이 약 4,5V인 히스테리시스가 있는 슈미트 트리거를 기반으로 하는 강력한 버퍼 요소를 사용하여 신호를 라인으로 전송하고 수신할 수 있으므로 추가적인 잡음 내성 마진이 생성됩니다. . 이 장치에서 반사된 신호를 보상하기 위해 소위 적분기 또는 통합 RC 체인이 사용됩니다. 간섭 수준이 증가한 조건에서 10m보다 긴 라인에서 작업할 때만 필요합니다. 최대 10m 길이의 라인에 있는 저자 버전의 장치에서는 점선으로 출력 레지스터 다이어그램에 표시된 커패시터가 사용되지 않았습니다. 최대 10m 길이의 통신 회선은 "Power "+5V"" 및 "Common wire"를 포함하여 12개의 컨덕터 묶음으로 수행됩니다. 이 경우 커패시터를 통합하지 않아도 오류가 관찰되지 않습니다. 신호선 길이가 10~100m이면 인접한 도체에 의해 유도되는 누화가 증가합니다. 이 경우 "Data", "Clk1" 및 "Clk2"의 각 신호선은 별도의 트위스트 페어로 구성되어야 하며 그림에서 점선으로 표시된 커패시터는 출력 레지스터 보드에 설치되어야 합니다. 이 경우 원격 레지스터와 화환은 별도의 "+12V" 전원 공급 장치에서 전원을 공급받습니다.
개략도. 광 동적 장치(그림 2)는 메인 컨트롤러 보드와 1개의 원격 레지스터 보드로 구성되며, 이들은 2개의 직렬 인터페이스 라인을 사용하여 메인 보드에 연결됩니다. 공통 컨덕터(다이어그램에 표시되지 않음)도 연결 라인의 일부이며 단면적이 9mm9 이상인 연선으로 만들어집니다. 연결 라인은 1핀 DB-XNUMX 플러그로 끝납니다. 인쇄 회로 기판에는 메이팅 커넥터 XNXNUMX이 있습니다(다이어그램에도 표시되지 않음). 메인 컨트롤러 보드에는 다음이 포함됩니다. 슈미트 트리거 DD1.4 및 요소 C3-R6-R7의 리셋 회로; 요소 DD1.1 ... DD1.3의 마스터 생성기; 동기화 펄스 생성 회로 DD6.1, DD4.2…DD4.4, DD7.1, DD7.2; 주소 카운터 DD6.2 멀티플렉서 샘플링 DD9 및 카운터 DD2.2, DD3.2, DD5.1, DD5.2 어드레싱 IC EEPROM DD8; 메모리 페이지 번호를 나타내는 LED 바(HL1… 레지스터 DD4, DD5 및 LED 라인 HL6…HL11는 장치 성능을 모니터링하기 위해 메인 보드에 설치됩니다. KR12TL7(22AC1554) 유형의 슈미트 트리거를 기반으로 하는 강력한 버퍼 요소가 신호 변환용 드라이버로 사용되었습니다. 메모리 IC로는 AT2C74 타입의 EEPROM 뿐만 아니라 KR14RF28(RF16) 타입의 RPZU도 사용할 수 있다. 제어 프로그램을 개발하기 위해 [2]와 [3]에서 고려한 통합 프로그래머가 있는 컨트롤러가 사용되었습니다. "Virtual Programmer"("Light Effects Dumper")를 사용하여 대체 제어 펌웨어를 작성할 수도 있지만, 이 경우 EEPROM(EPROM) IC를 사용하여 프로그래밍할 때 주소 라인을 재할당해야 합니다. 표준 프로그래머. 이 기능은 모든 전문 수준의 산업 프로그래머와 대부분의 중간 수준 프로그래머가 지원합니다. EEPROM을 프로그래밍할 때 주소 라인을 재할당해야 하는 필요성은 [2] 및 [3]에서 논의된 프로그래머를 개발할 때 초기에 추적의 편의를 위해 주소 라인의 다른(역순) 순서가 선택되었다는 사실 때문입니다. 인쇄 회로 기판. 특정 컨트롤러 [2] 및 [3]의 경우 데이터가 기록된 것과 동일한 순서로 읽기 때문에 주소 라인 재할당은 작업에 어떤 식으로든 영향을 미치지 않습니다. "이동파" CDS를 개발하는 동안 이 장치와 프로그래머의 호환성을 보장하기 위해 주소 라인의 번호 지정 순서가 유지되었습니다[2] 및 [3]. 그러나 이 표는 독자가 프로그램 "Virtual Simulator"("Light Effects Reader")를 사용하여 펌웨어를 볼 수 있도록 "Virtual Programmer"("Light Effects Dumper") 프로그램을 사용하여 생성된 조명 동적 효과 펌웨어의 변형을 보여줍니다. , 링크 [4 ]에서 사용할 수 있으며 장치 작동 원리 및 제어 프로그램 개발에 대해 더 잘 알 수 있습니다. 운영 원칙. 전원이 켜지면 적분 회로 C3-R6은 슈미트 트리거 DD1.4와 함께 카운터 DD2.1 ... DD6.2를 재설정하는 짧은 양의 펄스를 생성합니다(DD3.1은 제외). 미사용) 컨트롤러를 원래 상태로 재설정합니다. 주파수가 약 1.1kHz(보다 정확하게는 1.3Hz)인 마스터 발진기 DD130 ... DD131072의 펄스는 카운터 DD6.1을 동기화한 다음 DD6.2 및 나머지 주소 카운터를 동기화합니다. 앞으로 131072초와 동일한 기간 동안 "진행파"의 밝기가 증가-감소하는 전체 주기가 마스터 발진기의 주파수인 정확히 128Hz에 해당한다고 가정해 보겠습니다. 이 값은 85Hz의 출력 레지스터 업데이트 속도에서 파생되며 인체 공학적 값인 XNUMXHz보다 훨씬 우수합니다. 이러한 데이터 업데이트 속도는 가벼운 요소의 깜박임을 제거하고 밝기가 부드럽게 변화하는 착시를 만드는 데 필요합니다.
동기화 펄스 형성을 위한 타이밍 다이어그램이 그림 3에 나와 있습니다. DD2 요소(핀 7.2)의 출력에서 형성되는 출력 레지스터("Clk6")의 각 동기화 펄스에 대해 버퍼 레지스터("Clk16")의 1개의 동기화 펄스가 있음을 알 수 있습니다. "), IC 74AC595의 일부입니다. 또한 요소 DD1(핀 4.3)의 출력에서 형성되는 동기 펄스("Clk6")의 포지티브 에지는 데이터 비트 전송의 친숙함 중간에 떨어집니다. 컨트롤러의 기본 버전 [1]의 테스트 결과에 따라 경험에 따라 친숙한 중간에 떨어지는 순간에 버퍼 레지스터의 동기화는 조정되지 않은 라인에서 작업할 때 최대 노이즈 내성에 해당합니다. 큰 길이. 동시에 원격 레지스터의 입력에서 적분기를 사용할 필요가 없습니다. DD4.3 요소(핀 6)의 출력에서 형성된 전원이 켜진 순간부터 세는 첫 번째 네거티브 펄스는 트레일링 에지(포지티브 드롭)와 함께 첫 번째 셀에서 읽은 데이터 비트를 씁니다. 0000(11h) 주소의 EEPROM은 IC DD14 및 DD11의 일부인 버퍼 레지스터를 첫 번째 트리거로 트리거하여 증가하는 비트 방향으로 정보를 동시에 이동시킵니다. IC DD12, DD14, DD16, DD16에 포함된 출력 레지스터의 내용은 변경되지 않으며 LED 스트립은 현재 광동적 조합을 표시합니다. 위에서 언급한 바와 같이 PWM 시퀀스의 워드 길이는 16비트이므로 16개의 LED 라인에 한 단계(계조)의 밝기를 표시하려면 16 x 256 = 32비트 정보의 데이터 패킷을 전송해야 합니다. 조건부로 주소 EEPROM 공간의 한 페이지에 해당하는 레지스터에. 따라서 완전한 페이드인 주기는 8페이지의 주소 공간 또는 16K를 차지하며, 그 중 처음 4페이지(16K)는 밝기 증가의 반주기이고 후반부 역시 4페이지(또한 XNUMXK 크기)는 첫 번째 채널을 기준으로 계산되는 밝기 감소의 반주기. 카운터 DD2의 출력 4(핀 6.1)에서 나오는 각 포지티브 펄스의 네거티브 에지는 카운터 DD6.2의 상태를 하나씩 증가시키므로 멀티플렉서 DD9의 출력에 십진수 입력에 연결합니다. 코드의 이진 등가물은 차례로 해당 비트 데이터 IC EEPROM DD8의 출력에 연결됩니다. IC DD16, DD11, DD12, DD14의 버퍼 레지스터에 16비트의 데이터를 쓴 후, DD7.2 요소의 출력에서 생성된 네거티브 펄스의 트레일링 에지(포지티브 에지), 버퍼 레지스터의 내용은 IC DD11, DD12, DD14, DD16은 각각의 출력 레지스터에 덮어쓰기됩니다. 동시에 LED 라인 HL7 ... HL22 및 HL23 ... HL38에 새로운 조합이 고정됩니다. 그러나 전체(적분) 밝기 값은 정확히 16개의 16비트 패킷에 해당합니다. 16 x 256 = 위에서 언급한 직렬 회선을 통해 레지스터로 전송된 XNUMX비트 데이터. 밝기 레벨(계조) 변경은 카운터 DD1의 상태를 이진 코드로 표시하는 LED HL4 ... HL3.2 라인으로 표시됩니다. 전기 회로(그림 2)에서 알 수 있듯이 카운팅 펄스는 DD3.2 카운터를 사용하여 2.2로 나눈 후 DD2.1 출력에서 DD2.2 입력으로 옵니다. 출력 펄스 DD2.1의 이러한 주파수 분할은 카운터 DDXNUMX을 사용하여 주파수 분할 없이 얻을 수 있는 것보다 더 느린 밝기 증가에 필요합니다. 카운터 DD3.2 및 DD5.1은 카운터 DD8의 5.2 상태에서 공간 IC EEPROM DD8의 전반부와 이 카운터의 단일 상태에서 주소 공간 IC EEPROM DD1의 후반부를 주소 지정합니다. 조명 효과 선택 모드(수동 또는 자동)는 스위치 SA5.1에 의해 설정됩니다. 다이어그램에 표시된 위치에서 효과는 5회 반복 후 자동으로 번갈아 나타납니다. 이것은 세 번째 숫자 DD5.2 (핀 1)의 출력에서 카운터 DD5.2의 입력으로 카운팅 펄스를 공급함으로써 달성됩니다. SB1 버튼을 누르면 스위치 SA5.1의 구성표에 따라 아래쪽에서 짧은 양의 펄스가 카운터 DD5.2의 입력에서 수신됩니다. 상태 카운터 DD5 및 DD6는 각각 노란색(HLXNUMX) 및 빨간색(HLXNUMX) LED를 나타냅니다.
구조 및 세부 사항. 메인 컨트롤러는 크기가 140 x 90mm이고 두께가 1,5mm인 양면 유리 섬유로 만든 인쇄 회로 기판에 조립되며(그림 4) 출력 레지스터(그림 5)는 90 x 30mm( 그림 6). 이 장치는 MLT-0,125 유형의 고정 저항, 튜닝 저항 - SP3-38b, K1-3 유형의 비극성 커패시터(C8 ... C10, C12 ... C14, C10 ... C17), 산화물을 사용합니다. (C4 ... C7, C11, C15) - K50-35 또는 수입. 메인 컨트롤러 보드에는 직경 3mm(HL1…HL6), 직경 5mm(HL7… mm은 원격 화환에 번갈아 가며 배치됩니다.
순방향 바이어스 LED의 전압 강하 차이(빨간색과 노란색의 경우 이 값은 2,1V, 파란색과 녹색의 경우 3,0V)가 주어지면 해당 제한 저항을 LED와 직렬로 연결해야 합니다(220 및 150옴). . 강력한 부하를 제어하려면 출력 레지스터에 트랜지스터 또는 트라이액 스위치를 추가해야 합니다. 인쇄 회로 기판 패턴을 변경하지 않고 현장에서 직접 EEPROM 유형 AT28C16-15PI 메모리 칩 유형 RPZU 유형 KR573RF2 또는 KR573RF5를 사용할 수 있습니다. 카운터 유형 KR1564 IE23(74HC 4520N)은 IC DD561, DD10를 제외하고 K4520 IE3(CD5AN)으로 교체할 수 있으며 표시기 LED가 연결된 출력에 연결됩니다. 멀티플렉서 DD9 유형 KR1564 KP7(74HC 151)은 KR1564 KP15(74HC 251)를 대체합니다. 최대 10m 길이의 연결 라인은 단면적이 4mm0,35(신호 라인용) 및 2mm1("공통" 와이어)이고 길이가 2인 10개의 연선 번들로 구성됩니다. 최대 100m, 신호 라인은 별도의 트위스트 페어로 만들어져야 합니다 출력 레지스터의 보드에는 용량이 150pF 이하인 통합 커패시터를 설치하십시오.
서비스 가능한 부품으로 조립된 장치를 오류 없이 작동하기 위한 준비는 표준 프로그래머를 사용하여 EEPROM IC(EPROM)에 펌웨어를 쓰는 것입니다. 이 경우 프로그램에서 적절한 옵션을 선택하여 EEPROM IC 주소 라인의 순서를 프로그래밍 방식으로 재할당해야 합니다. EEPROM 칩을 프로그래밍하기 전에 무료 변환기 프로그램(예: [5]) 중 하나를 사용하여 프로그램의 텍스트 파일(표 참조)을 이진 형식으로 변환해야 합니다. 메인 컨트롤러 보드의 트리머 저항 R3을 사용하여 동적 조명 효과에 대해 원하는 재생 속도를 선택할 수 있습니다. 소스
저자: Odinets A.L.
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