Контроллер стоп-сигнальных огней

Общие сведения

Контроллер реализован полностью на КМОП-микросхемах стандартной логики серии КР1564 и относится к светодинамическим устройствам с фиксированными алгоритмами. Полностью аппаратное решение исключает возможные зависания и сбои в работе устройства в широком диапазоне температур окружающей среды, что имеет большое значение при эксплуатации в автомобиле. Устройство аппаратно полностью совместимо с программируемым контроллером, рассмотренным в [1]. Возможно также применение в качестве управляющего блока контроллера с интегрированным (внутрисхемным) программатором [2], что предлагает возможность перепрограммирования последовательности светодинамических эффектов по желанию пользователя в автономном режиме.

Классическая архитектура светодинамического устройства предусматривает непосредственное подключение каждого светового элемента к основной плате контроллера с помощью отдельного сигнального проводника. Такие устройства [3], как правило, позволяют управлять лишь небольшим числом элементов, обычно не превышающим восьми. Наращивание их числа требует использования дополнительных микросхем памяти и соответствующего увеличения числа проводников, входящих в жгут. 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, удалённых от основной платы контроллера на значительное расстояние.

Для управления большим числом световых элементов, расположенных на удалении от основной платы контроллера, можно использовать соединительную линию, представляющую собой последовательный интерфейс между основной платой и блоками выходных регистров, которые являются управляющими для матрицы из 128 световых элементов. В простейшем случае в системе может быть два стоп-сигнальных габаритных огня, каждый из которых представляет собой матрицу 8×16 из 128 сверхъярких красных светодиодов. Матрица светодиодов и управляющая плата выходных регистров устанавливается в корпус из ударопрочного полистирола с красным светофильтром. Применение сверхъярких светодиодов обеспечивает высокую яркость и хорошую видимость даже при прямом солнечном свете. Управляющие блоки выходных регистров подключаются к основной плате контроллера с помощью жгута из четырёх проводников, в состав которого входят: «Данные», «Синхронизация», «Разрешение» и «Общий». Проводник «Питание +12 В» в жгут не входит и выполняется отдельно многожильным проводом сечением не менее 1 мм².

В такой светодинамической системе 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 × 16 импульсов = 1,28 мс, смена комбинаций происходит визуально незаметно, что и создаёт эффект их непрерывного воспроизведения. При длине от 10 до 100 метров сигнальные проводники («Данные», «Синхронизация», «Разрешение индикации») выполняются витыми парами, второй проводник которых заземляется с обеих сторон линии. При длине до 10 метров сигнальная линия выполняется жгутом из четырёх проводников, включая «общий».

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 приёмной стороне линии или выходного сопротивления драйвера на передающей стороне приводят к многократному отражению сигнала. Типовое значение времён нарастания и спада фронтов сигнала для микросхем серии КР1564 составляет менее 5 нс, поэтому эффекты влияния длинных несогласованных линий начинают проявляться при её длине в несколько десятков сантиметров.

Зная характеристики линии передачи, такие как полная входная ёмкость и удельная ёмкость 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 элемента на приёмной стороне создаёт 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 КМОП-микросхем серии КР1564 многократно превосходит эквивалентное сопротивление линии, выполненной витой парой или экранированным проводником, отражённое напряжение на входе приёмника удваивается. Этот отражённый 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 ёмкостный 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 приёма можно использовать буферные элементы на основе триггеров Шмитта, которые восстанавливают строго прямоугольную форму искажённого 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) создаёт дополнительный запас помехоустойчивости [4]. В таком случае нет необходимости в применении специальных драйверов, уменьшающих крутизну фронтов импульсов транслируемого сигнала, что позволяет значительно упростить схемотехнические решения на передающей и приёмной сторонах несогласованной линии связи.

Основным функциональным блоком, реализующим алгоритм работы предлагаемого устройства, является микросхема многофункционального регистра КР1564ИР24 (74HC299). Микросхема представляет собой быстродействующий регистр сдвига/хранения, функционально полностью совместимый с приборами ТТЛШ-структуры серий КР1533 и К555. Восемь информационных входов/выходов представляют собой порт данных с высокой нагрузочной способностью и возможностью перевода в третье состояние. Для организации многоразрядных регистров микросхема имеет дополнительные входы последовательных данных «DR», «DL» для первого и восьмого разряда, а также соответствующие выходы «PL», «PR», не имеющие третьего состояния.

Рассмотрим принцип работы такого отдельно взятого регистра более подробно. Регистр может работать в четырёх синхронных режимах: параллельная загрузка, сдвиг вправо, сдвиг влево, хранение, – задаваемых состоянием двух входов выбора режима SR, SL, а также разрешения выходов E1, E2.

Если на оба входа E1 и E2 и хотя бы на один вход выбора SR или SL поданы напряжения низкого логического уровня, то все восемь выводов порта служат выходами. На них присутствует код, содержащийся в регистре (режим считывания).

Если на входах выбора SR, SL действует напряжение высокого уровня, то через все восемь выводов порта в регистр загружаются данные из шины системы (режим «загрузка»). Причём загрузка происходит синхронно с подачей положительного перепада тактового импульса на вход С.

Режим сдвига вправо устанавливается при подаче уровня логической единицы на вход SR, при этом на входе SL должен быть установлен уровень логического нуля.

Режим сдвига влево устанавливается при подаче уровня логической единицы на вход SL, при этом на входе SR должен быть установлен уровень логического нуля.

Если хотя бы на одном из входов E1, E2 будет напряжение высокого уровня, то выходы регистров окажутся в разомкнутом третьем состоянии, и порты могут работать только как входы для приёма внешних данных.

Входы выбора режима SR, SL, входы последовательных данных DR, DL, а также входы параллельных данных D1…D8 открываются синхронно с приходом положительного перепада тактового импульса на вход С, при этом на других входах необходимые уровни уже должны быть зафиксированы с учётом времени предустановки.

Вход сброса регистра R является асинхронным с активным низким уровнем. При подаче уровня «нуля» на этот вход все триггеры регистра устанавливаются в нулевое состояние, независимо от сигналов на других входах, следовательно, вход сброса имеет наибольший приоритет.

Разрядность регистра может быть увеличена за счёт последовательного включения однотипных микросхем. При этом выход PL соединяется со входом DL предшествующего регистра, а выход PR со входом DR последующего регистра.

Рециркуляция данных достигается за счёт соединения выхода PR последнего в линейке регистра со входом DR первого.

Схема электрическая принципиальная

Устройство (рис. 1) содержит: цепь сброса по питанию (DD1.2, C2, R5, R6); низкочастотный (НЧ) генератор (DD1.3, DD1.4, R2…R4, C1); схему установки НЧ-генератора (DD1.1, VD1, R1); высокочастотный (ВЧ) генератор (DD2.3, DD2.4, R8, R9, C4); секвенсер-формирователь последовательности режимов, включающий: счётчик (DD5), дешифратор последовательности режимов (DD10), формирователи условий «Бегущий огонь / Бегущая тень» (DD15.3, DD15.4, DD16.3, DD16.4), «Накопление / Нет накопления» (DD15.1, DD15.2, DD16.1, DD16.2); мультиплексоры-формирователи сигналов данных буферного регистра (DD18.1…DD18.4, DD23); схему выбора режима работы буферного регистра «Сдвиг влево / Сдвиг вправо» (DD12.3, DD12.4, DD8.3, DD8.4); формирователь импульсов синхронизации регистров (DD6.1, DD8.1, DD8.2, DD12.1, DD12.2); формирователь длительности цикла (DD6.2, DD7.1, DD9.1…DD9.3, DD13.1…DD13.4) и схему сброса счётчиков (DD3.2, DD3.4); RS-триггер состояния «загрузка-индикация» (DD2.1, DD2.2) и схему индикации текущего режима (DD11, HL1…HL10). 

Устройство содержит три регистра: буферный (DD20, DD21), контрольный (DD19, DD22) и выходной (DD26, DD27). Последние два из них включены параллельно и работают синхронно. Отличие заключается в том, что данные в выходной (удалённый) регистр передаются по линиям связи в инверсном коде, поскольку управляющим сигналом для ключевых транзисторов является логическая «единица», а не логический «нуль», как для контрольной линейки светодиодов на основной плате контроллера. К выходам микросхем контрольного регистра (DD19, DD22) подключены светодиоды, по которым производится визуальное наблюдение последовательности светодинамических комбинаций, транслируемых в линию. Включённому светодиоду соответствует именно уровень «нуля», появляющийся на соответствующем выходе регистра.

На схеме электрической (рис. 1) в явном виде показано подключение одного выходного регистра, состоящего из 3 микросхем, с помощью трёх сигнальных проводников соединительной линии. Таких выходных регистров, которые при включении по цепочке согласно схеме электрической 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.

Управление выходным регистром, следовательно, и загрузка в него данных, осуществляется по трём 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 всего четырьмя проводниками, включая «общий». Для управления выносными стоп-сигнальными огнями по линиям большой длины на основной плате контроллера используются мощные буферные элементы с триггерами Шмитта типа КР1554ТЛ2, включённые параллельно по два. Для последовательного включения нескольких блоков выходных регистров на плате каждого из них установлены дополнительные буферные элементы.

Принцип работы

Полный цикл работы устройства состоит из десяти режимов, порядок следования которых представлен в табл. 1.

Исходный режим работы устройства при включении питания устанавливается благодаря схеме сброса (DD1.2, R5, R6, C2) и установки НЧ-генератора (DD1.1, VD1, R1). Короткий положительный импульс с выхода элемента DD1.2 устанавливает в исходное нулевое состояние счётчики DD4, DD5, а после инвертирования элементом DD1.1 вызывает обнуление низким логическим уровнем микросхем буферного регистра (DD20, DD21). Этот же низкий логический уровень, инвертируясь элементом DD3.2, обнуляет счётчики DD6.1, DD6.2, DD7.1 и создаёт условие начальной установки состояния НЧ-генератора (DD1.3, DD1.4, R2…R4, C1). Уровень логического нуля, поступающий с выхода элемента DD1.1 через цепочку VD1, R1 на левую обкладку конденсатора C1 и через резистор R2 на входы элемента DD1.3, приводит к установке на выходе элемента DD1.4 уровня логической единицы.

Счётчик DD5 и дешифратор DD10, входящие в состав секвенсора, задают последовательность рабочих режимов посредством формирования уровня логического нуля на одном из выходов дешифратора. Поскольку счётчик DD5 в начальный момент времени находится в нулевом состоянии, уровень нуля с выхода первого разряда (вывод 1) дешифратора DD10 устанавливает RS-триггер (DD14.1-DD14.2) в исходное единичное состояние. Условимся считать «единичным» состоянием данного RS-триггера появление на выходе элемента DD14.1 уровня единицы, а на выходе DD14.2 – уровня нуля. Этот уровень логического нуля с выхода элемента DD14.2 приходит на один из входов элемента DD12.3 и, независимо от управляющего сигнала на другом его входе, устанавливает на выходе этого элемента уровень единицы. В свою очередь, этот логический уровень, инвертируясь элементом DD12.4, определяет режим работы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (DD8.3, DD8.4) как повторителей входных уровней. Напомним, что при подаче на один из входов такого элемента уровня логической единицы он будет выполнять инверсию сигнала по второму входу. Поскольку в данном случае элементы DD8.3, DD8.4 являются повторителями сигналов по второму входу, то они определяют режим работы микросхем буферного регистра (DD20, DD21) как «сдвиг вправо». Это происходит благодаря присутствию уровней логических единиц на входах SR (выводы 1) и уровней нулей на входах SL (выводы 19).

Бегущий огонь по возрастанию

Первый же отрицательный перепад с выхода НЧ-генератора, проходя через дифференцирующую цепочку С3-R7, приводит к установке RS-триггера (DD2.1, DD2.2) в условное единичное состояние. Уровень логической единицы с выхода элемента DD2.1 разрешает работу ВЧ-генератора с частотой около 100 кГц и одновременно переводит выходные каскады микросхем контрольного (DD19, DD22) и выходного (DD26, DD27) регистров в третье состояние, кратковременно выключая контрольную линейку светодиодов и матрицы стоп-сигнальных огней. Второе условие необходимо для исключения эффекта мерцания световых элементов. Учитывая, что время обновления комбинации очень мало и составляет всего 1,28 мс, не происходит мерцания даже малоинерционных светодиодов.

Прямоугольные импульсы положительной полярности поступают на счётный вход счётчика DD6.1, который совместно с элементами DD8.1, DD8.2, DD12.1, DD12.2 формирует импульсы синхронизации буферного («Buf_Reg_Clk») и контрольного («Output_Reg_Clk») регистров.

Поскольку буферный регистр (DD20, DD21) в течение первых пяти эффектов (табл. 1) работает только в режиме сдвига вправо, иметь значение будут только данные («Buf_Reg_DR»), приходящие на вход DR регистра DD20 с выхода (вывод 9) нижнего по схеме мультиплексора DD23. Одновременно этот сигнал является информационным также для контрольного и выходного регистров. Режим работы мультиплексоров [DD18.1…DD18.4] и [DD23] определяют сигналы «Накопление / Нет накопления» (с выхода элемента DD16.2) и «Бегущий огонь / Бегущая тень» (с выхода элементов DD16.3, DD16.4). В свою очередь, информационным сигналом для мультиплексора [DD18.1…DD18.4] является логический уровень нуля, формирующийся на выходе элемента DD14.4 в нулевом состоянии счётчика DD4, и уровень логической единицы во всех остальных его состояниях.

Как отмечено выше, в начальный момент времени буферный регистр (DD20, DD21) установлен в исходное нулевое состояние, поэтому первым, считая с момента включения питания, выполняется эффект «Бегущая тень по возрастанию с накоплением», а не «Бегущий огонь по возрастанию». Такой режим работы лучше привлекает внимание, поскольку в момент включения питания загорается вся матрица светодиодов. Во втором и последующих циклах всегда первым по счёту выполняется эффект «Бегущий огонь по возрастанию» согласно табл. 1. 

В начальный момент времени счётчики DD6.2, DD7.1 также установлены в исходное нулевое состояние, поэтому на выходе элемента DD13.4 формируется уровень логической единицы. Этот уровень поступает на вход S1 (вывод 2) мультиплексора DD23 и совместно с уровнем логического нуля, поступающим на его вход S0 (вывод 14) с выхода элемента DD16.1, вызывает прохождение на выходы мультиплексора данных с его соответствующих входов A2 (вывод 4) и B2 (вывод 12). Этот информационный сигнал формируется на выходе мультиплексора [DD18.1…DD18.4], режим работы которого, в свою очередь, определяется условием «Бегущий огонь / Бегущая тень».

Учитывая, что в момент включения питания счётчик DD4 находится в нулевом состоянии, с выхода элемента DD14.4 на выход мультиплексора [DD18.1…DD18.4] пройдёт уровень логического нуля, который поступит на выходы мультиплексора DD23 и определит входной сигнал «Buf_Reg_DR» для буферного регистра (DD20, DD21) как уровень логического нуля (см. временну́ю диаграмму на рис. 2).

Первый же отрицательный импульс «Buf_Reg_Clk» своим задним фронтом (положительным перепадом) приведёт к записи бита данных в регистр DD20 по входу DR с одновременным сдвигом содержимого регистров DD20, DD21 на один разряд вправо. С приходом очередного счётного импульса на вход DD6.2 его состояние увеличивается на единицу, и на выходе элемента DD13.4 формируется уровень логического нуля, который подключает выходы мультиплексора DD23 к его соответствующим входам A0, B0. Теперь буферный регистр работает в режиме рециркуляции данных, поскольку выход PR старшего в линейке регистра DD21 соединён через нижний по схеме мультиплексор DD23 со входом «DR» первого регистра DD20.

Первый же отрицательный импульс синхронизации «Output_Reg_Clk» контрольного и выходного регистров своим задним фронтом (положительным перепадом) приводит к записи данных в первый разряд контрольного DD19 и, в инверсном коде, в первый разряд выходного DD26 регистров с одновременным сдвигом содержимого этих регистров на один разряд вправо. Благодаря счётчикам DD6.2, DD7.1 формируется серия из 16 импульсов синхронизации буферного («Buf_Reg_Clk») и контрольного («Output_Reg_Clk») регистров. Но эти импульсы сдвинуты относительно друг друга на один такт счётчика DD6.2, что является необходимым условием для одновременного формирования текущего светодинамического эффекта и выдачи данных в линию в последовательном коде (рис. 2). После завершения серии из 16 импульсов синхронизации данные из буферного регистра будут переписаны в контрольный и, в инверсном коде, – в выходной регистры.

При достижении последовательно включёнными счётчиками DD6.2, DD7.1 тридцать третьего состояния на выходе элемента DD3.4 сформируется короткий отрицательный импульс, который установит RS-триггер DD2.1-DD2.2 в нулевое состояние и заблокирует работу ВЧ-генератора. Одновременно этот отрицательный импульс, инвертируясь элементом DD3.2, приведёт к обнулению счётчиков DD6.1, DD6.2, DD7.1, что вновь вызовет появление на выходе элемента DD13.4 уровня логической единицы. Таким образом, в разряды с первого по шестнадцатый контрольного и выходного регистров окажутся записанными уровни логических нулей, и произойдёт обновление состояния буферного регистра, поскольку он работает в режиме рециркуляции данных. Это условие соответствует завершению формирования первой комбинации первого эффекта, считая с момента включения питания.

Очередным отрицательным перепадом с выхода НЧ-генератора, проходящим через дифференцирующую цепочку C3-R7, произойдёт установка RS-триггера в единичное состояние и повторный запуск ВЧ-генератора. Учитывая, что счётчик DD4 теперь находится в первом состоянии, на выходе элемента DD14.4 формируется уровень логической единицы, который поступает на выход нижнего по схеме мультиплексора DD23 и определяет входной бит данных «Buf_Reg_DR» для буферного регистра как уровень логической единицы. Теперь по спаду первого импульса синхронизации буферного регистра (положительному перепаду) в его первый разряд записывается уровень логической единицы с одновременным сдвигом содержимого на один разряд вправо. По спаду очередного положительного импульса на входе счётчика DD6.2 высокий логический уровень на выходе элемента DD13.4 сменяется низким, и буферный регистр вновь переходит в режим рециркуляции данных.

Серия из шестнадцати импульсов синхронизации («Buf_Reg_Clk») буферного и контрольного («Output_Reg_Clk») регистров приводит к загрузке второй комбинации первого эффекта в контрольный и выходной регистры с одновременным обновлением буферного. Теперь в первые разряды регистров будут записаны уровни логических единиц, а со второго по шестнадцатый – логических нулей.

Каждый отрицательный перепад очередного счётного импульса с выхода НЧ-генератора будет вызывать установку RS-триггера DD2.1-DD2.2 в единичное состояние и повторение вышеописанной процедуры. Результатом работы контроллера будет воспроизведение эффекта «Бегущая тень по возрастанию с накоплением» на контрольной линейке светодиодов с одновременной трансляцией в линию в инверсном коде.

Бегущий огонь по возрастанию с накоплением

С приходом шестнадцатого отрицательного счётного импульса на выходе переноса +CR (вывод 12) счётчика DD4 формируется равный по длительности, но задержанный на время распространения сигнала отрицательный импульс. По его заднему фронту (положительному перепаду) состояние счётчика DD5 увеличивается на единицу, поэтому уровень логического нуля перемещается с выхода 0 (вывод 1) на выход 1 (вывод 2) дешифратора DD10 и, воздействуя на один из входов элемента DD15.1, приводит к появлению уровня логической единицы на выходе элемента DD16.2, что соответствует формированию условия «Накопление». Во втором режиме, считая с момента включения питания, «Бегущий огонь с накоплением» формируется благодаря записи в первый разряд буферного регистра (DD20) уровня логического нуля с одновременным сдвигом содержимого регистров DD20 и DD21 на один разряд вправо. При этом на адресный вход S0 (вывод 14) мультиплексора DD23 постоянно приходит уровень логической единицы, который одновременно с приходом такого же уровня на второй адресный вход S1 приводит к подключению выходов мультиплексора DD23 к его соответствующим входам A3, B3. Этот уровень формируется на выходе элемента DD13.4, пока счётчики DD6.2, DD7.1 находятся в «нулевом» состоянии. Поскольку на выходе элемента DD16.4 сформирован уровень логического нуля, то на выход нижнего мультиплексора DD23 проходит уровень логического нуля, формирующийся при условии «Бегущий огонь». По заднему фронту импульса (Buf_Reg_Clk) отрицательной полярности (положительному перепаду) в первый разряд регистра DD20 будет записан бит данных, поступающий с нижнего мультиплексора DD23 (вывод 9). По спаду счётного импульса на входе DD6.2 состояние этого счётчика увеличится на единицу, и на выходе элемента DD13.4 уровень логической единицы сменится уровнем нуля. Теперь выходы мультиплексора DD23 будут подключены к его соответствующим входам A1 и B1, поэтому буферный регистр (DD20, DD21) перейдёт в режим рециркуляции данных. Далее серия из 16 импульсов синхронизации контрольного и выходного (Output_Reg_Clk), а также буферного (Buf_Reg_Clk) регистров приведёт к формированию первой комбинации второго светодинамического эффекта «Бегущий огонь по возрастанию с накоплением», считая с момента включения питания.

Каждый отрицательный перепад очередного счётного импульса с выхода НЧ-генератора будет вызывать установку RS-триггера DD2.1-DD2.2 в единичное состояние и повторение вышеописанной процедуры. Результатом работы контроллера будет воспроизведение указанного эффекта на контрольной линейке светодиодов с одновременной трансляцией в линию в инверсном коде.

Бегущая тень по возрастанию

При переходе счётчика DD5 в третье состояние на выходе 2 (вывод 3) дешифратора DD10 формируется уровень логического нуля, который, поступая на один из входов логического элемента DD15.3 и инвертируясь элементом DD16.3, приводит к появлению на выходе элемента DD16.4 уровня логической единицы, что соответствует условию «Бегущая тень». Теперь положительным перепадом первого импульса синхронизации буферного регистра Buf_Reg_Clk в первый разряд регистра DD20 производится запись логической единицы. Далее серия из 16 импульсов синхронизации контрольного и выходного (Output_Reg_Clk), а также буферного (Buf_Reg_Clk) регистров приведёт к формированию первой комбинации третьего светодинамического эффекта «Бегущая тень по возрастанию», считая с момента включения питания.

Каждый отрицательный перепад очередного счётного импульса с выхода НЧ-генератора будет вызывать установку RS-триггера DD2.1-DD2.2 в единичное состояние и повторение вышеописанной процедуры. Результатом работы контроллера будет воспроизведение указанного эффекта на контрольной линейке светодиодов с одновременной трансляцией в линию в инверсном коде.

Бегущая тень по возрастанию с накоплением

В отличие от предыдущего эффекта, уровень логического нуля на выходе элемента DD16.2 сменяется логической единицей, но на выходе элемента DD16.4 сигнал не меняется, поэтому положительным перепадом первого импульса синхронизации буферного регистра (Buf_Reg_Clk), одновременно со сдвигом содержимого регистров DD20, DD21 на один разряд вправо, в первый разряд DD20 производится запись уровня логической единицы.

Бегущий огонь по возрастанию

При установке счётчика DD5 в пятое состояние на выходе 4 (вывод 5) дешифратора DD10 формируется уровень логического нуля, соответственно, на выходе 3 (вывод 4) формируется уровень единицы, который поступает на вход элемента DD15.4 и совместно с таким же логическим уровнем, приходящим на второй его вход, приводит к формированию на выходе элемента DD16.4 условия «Бегущий огонь».

Бегущий огонь по убыванию

В режимах с шестого по десятый происходит изменение направления воспроизведения светодинамических эффектов на обратное. Это достигается благодаря установке RS-триггера DD14.1–DD14.2 в нулевое состояние и формированию на выходе элемента DD14.2 уровня логической единицы. Теперь два уровня логической единицы, приходящие на вход элемента DD12.3, приведут к появлению на его выходе уровня нуля, который, инвертируясь элементом DD12.4, кратковременно изменяет режим работы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (DD8.3, DD8.4) на инверсию входных сигналов. Таким образом, при установке счётчиков DD6.2 и DD7.1 в нулевое состояние режим работы буферного регистра будет изменяться на сдвиг информации влево. В таком режиме иметь значение будет только бит данных, приходящий на вход DL (вывод 18) регистра DD21. Первый же импульс синхронизации (Buf_Reg_Clk) буферного регистра DD21 будет производить запись данных по входу DL с одновременным сдвигом содержимого регистров DD20 и DD21 на один разряд влево. При установке счётчика DD6.2 в первое состояние уровень логической единицы на выходе элемента DD13.4 сменится нулевым, что приведёт к возвращению буферных регистров (DD20, DD21) в режим сдвига вправо. Поскольку на вход S1 (вывод 2) мультиплексора DD23 будет приходить уровень логического нуля, буферный регистр будет работать в режиме рециркуляции данных. Кроме того, уровень логического нуля, приходящий на один из входов элемента DD14.3, вызовет появление на его выходе уровня единицы, а на выходе DD3.1 – уровня нуля. Это приведёт к маскированию первого импульса синхронизации буферного регистра (DD20, DD21), что исключает «двойной» бегущий огонь при формировании первого и шестого эффектов, считая с момента включения питания.

Теперь серия из 16 импульсов синхронизации контрольного и выходного (Output_Reg_Clk), а также буферного (Buf_Reg_Clk) регистров приведёт к формированию первой комбинации шестого светодинамического эффекта «Бегущий огонь по убыванию», считая с момента включения питания. Далее каждый отрицательный перепад очередного счётного импульса с выхода НЧ-генератора будет вызывать установку RS-триггера DD2.1-DD2.2 в единичное состояние и повторение вышеописанной процедуры. Результатом работы контроллера будет воспроизведение указанного эффекта на контрольной линейке светодиодов с одновременной трансляцией в линию в инверсном коде.

Бегущий огонь по убыванию с накоплением и последующие эффекты формируются аналогично эффектам по возрастанию лишь с тем отличием, что буферный регистр (DD20, DD21) кратковременно переводится в режим сдвига информации влево, а затем возвращается обратно в режим сдвига вправо.

Конструкция и детали

Контроллер светодинамического устройства собран на печатной плате размерами 150×100 мм из двухстороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 3), выходные регистры –
200×60 мм (рис. 4), светодиодные матрицы – 190×100 мм (рис. 5). 




В устройстве применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, подстроечные – СП3-38б, конденсаторы неполярные (С1 – С4) типа К10 – 17, электролитические (С5 – С13) – К50-35. На основной плате контроллера установлены сверхъяркие светодиоды диаметром 3 мм (HL1…HL10) и диаметром 5 мм (HL11…HL26), а в матрицах стоп-сигнальных огней – сверхъяркие красного цвета диаметром 10 мм. Шестивольтные стабилизаторы типа КР142ЕН5Б заменимы на пятивольтные КР142ЕН5А, но для согласования уровней сигналов все они должны быть на одно и то же напряжение, как на основной плате контроллера, так и на платах выходных регистров. Двухсекционный переключатель SA1 типа МТ1-1 распаивается непосредственно на плате выходного регистра. Для него предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации.

Соединительная линия выполняется жгутом из 4 многожильных проводников сечением 0,35 мм² (для сигнальных линий) и 1 мм² (общий провод) в изоляции и заканчивается 9-контактной вилкой типа DB-9. На печатной плате установлен ответный разъём XN1 (на схеме не показан). Платы выходных регистров унифицированы и обеспечивают возможность параллельного подключения такой же платы через дополнительный разъём. Благодаря этому они могут подключаться к основной плате контроллера в любом порядке.

Регистры DD19, DD20, DD21, DD22 типа КР1564 ИР24 (прямой аналог 74HС 299N), используемые на основной плате контроллера, можно заменить на КР1554 ИР24 (74AС 299N), а также КР1533 ИР24 (74ALS 299N). Поскольку микросхемы КР1533ИР24 (74ALS 299N) ТТЛШ-структуры потребляют достаточно большой ток даже в статическом режиме (около 35 мА), в удалённых (выходных) регистрах рекомендуется использовать микросхемы именно КМОП-структуры типа КР1564ИР24 (74HC299). На основной же плате контроллера возможно использование регистров любой из серий КР1554, КР1564 или КР1533. Поскольку каждая светодиодная матрица потребляет значительный ток (до 2,5 А, импульсное значение), силовой проводник необходимо выполнить многожильным проводом достаточно большого сечения (не менее 1 мм²).

Контроллер в настройке практически не нуждается. Частоту переключения светодинамических комбинаций можно изменять подстройкой резистора R4, а скорость загрузки комбинаций при работе в условиях повышенного уровня помех – R9. При длине линии до 10 м необходимости в последней регулировке обычно не возникает, и частота импульсов ВЧ-генератора соответствует максимальному значению (100 кГц), поэтому движок резистора R9 устанавливается в положение, соответствующее минимальному сопротивлению.

По всем вопросам, касающимся реализации последовательного интерфейса в светодинамических устройствах, можно получить консультацию автора, направив запрос на адрес редакции.

Литература.

© СТА-ПРЕСС, 2024