Современная электроника №8/2024

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 31 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2024 Автомат световых эффектов «бегущая волна» Рис. 1. Типовые ШИМ- последовательности Светодинамические устройства (СДУ) с программируемыми алгоритмами позволяют создавать большое многообразие светодинамических эффектов и управлять по программе большим числом световых элементов. СДУ с линейным (плавным) управлением яркостью, в отличие от СДУ с дискретным управлением яркостью, требуют применения отдельного аппаратного ШИМ-контроллера на каждый канал. Поэтому сложность такого устройства возрастает пропорционально числу световых элементов. В данной статье рассматривается 16-канальный вариант СДУ с плавным управлением яркостью, сочетающий в себе простоту схемотехнических решений и программно реализованную эмуляцию 16 аппаратных ШИМ-контроллеров. Александр Одинец Общие сведения Одновременное синхронное управ - ление яркостью большого числа свето - вых элементов по линейному закону требует не только применения отдель - ного аппаратного ШИМ-контроллера на каждый канал, но и синхронизации работы таких контроллеров с опре - делённым фазовым сдвигом между каналами. Предлагаемое устройство базируется на архитектуре програм - мируемого 16-канального контролле - ра с последовательным интерфейсом, рассмотренной в [1]. Отличия заклю - чаются в алгоритме чтения и прошив - ке ИМС ЭСППЗУ, а также применении более сложных выходных регистров типа 74AC595. Данный регистр состо - ит из 16 триггерных ячеек, первые восемь из которых входят в состав буферного регистра, а остальные восемь – в состав выходного. Приме - нение последовательного интерфейса позволяет наращивать число световых элементов с минимальными аппа - ратными затратами без существен - ного усложнения схемотехнической части основного контроллера, а также управлять одновременно и синхронно несколькими наборами световых эле - ментов по линиям последовательно - го интерфейса, длина которых может достигать 100 м. В простейшем случае СДУ реализует два световых эффекта типа «бегущая волна» с длиной сло - ва ШИМ-последовательности, равной 16 бит. Эффекты сменяются в автома - тическом режиме после четырёхкрат - ного повторения или выбираются вручную нажатием кнопки. С уве - личением объёма памяти исполь - зуемой ИМС ЭСППЗУ возможно уве - личение числа каналов, количества эффектов, а также длины слова ШИМ- последовательности. Для плавного управления ярко - стью в данном устройстве использо - ван принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ – это спо - соб кодирования цифрового сигна - ла путём изменения длительности (ширины) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис. 1 представ - лены типичные графики ШИМ сигна - ла. Поскольку при широтно-импульс - ной модуляции частота импульсов, а значит, и период (T), остаются неиз - менными, то при уменьшении дли - тельности импульса (t) увеличивает - ся пауза между импульсами (эпюра «Б» на рис. 1) и, наоборот, при увели - чении длительности импульса пау - за уменьшается (эпюра «В» на рис. 1). В нашем случае включению светоди - ода соответствует появление на выхо - де регистра уровня логического нуля, поэтому яркость возрастает с увели - чением скважности импульсов (эпю - ра «Б» на рис. 1), и, наоборот, яркость уменьшается с уменьшением скваж - ности (эпюра «В» на рис. 1). Напомним, что скважностью импульсов называ - ется отношение периода следования импульсов к их длительности. Скваж - ность – безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. В данном устройстве использу - ется 16-битная длина слова ШИМ- последовательности, что соответ - ствует 16 градациям яркости световых элементов. Такого числа градаций яркости вполне достаточно для визу - ально плавного изменения ярко - сти при периоде нарастания и спада «бегущей волны», не превышающем одной секунды. С увеличением пери - ода изменения яркости до двух-трёх секунд переходы между уровня - ми яркости (градации) становятся визуально заметными, что потребу - ет увеличения длины слова ШИМ- последовательности. Но для большин - ства применений, если не требуется очень медленного воспроизведения эффекта, вполне достаточно и 16 гра - даций яркости. Для управления удалённым набо - ром световых элементов используют - ся три сигнальные линии последова - тельного интерфейса: «Data», «Clk1» и «Clk2». Первая линия «Data» – это информационный сигнал, а две другие линии – «Clk1» и «Clk2» – это сигналы стробирования буферных и выходных регистров, соответственно, входящих в состав ИМС 74AC595. При работе на длинных несогласо - ванных линиях связи возникают про - блемы передачи данных, связанные с хорошо известными отражениями сигналов и перекрёстными помехами, наводимыми смежными проводника - t T t t A Б В