Navrhování víceuzlové LED PWM lampy: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:25

Tento návod ukáže, jak jsem navrhl ovladač LED PWM. Několik lamp lze spojit dohromady a vytvořit velké světelné paprsky. Vytvoření blinkových LED světel na Vánoce bylo vždy na mém seznamu přání. V minulé vánoční sezóně jsem opravdu začal přemýšlet o tom, že něco postavím. Moje první myšlenka byla, že každou LED lampu lze jednoduše připojit k dvojici vodičů. Napájení LED diod by mohlo být střídavým signálem, který by se pohyboval z nízké frekvence na vysokou frekvenci. Pásmový filtr zabudovaný v každé lampě by rozsvítil LED, pokud by frekvence odpovídala střední frekvenci pásmového filtru. Pokud byly pásmové filtry správně nastaveny, lze provést sekvenci LED chase. Skutečně, skokem na různé frekvence místo zametání bylo možné zapnout některou z LED diod. Pomocí čipu ovladače H -Bridge by neměla být požadovaná frekvence po vodičích příliš tvrdá. No, já jen smrdím analogovým designem - jsem spíše software jako chlap. Po několika testech na lavičce jsem rychle přestal používat analog. Co jsem opravdu chtěl, byla LED lampa, kterou bylo možné plně ovládat tak, aby zobrazovala jakoukoli barvu, kterou jsem chtěl. Oh, a mělo by to být schopné používat PWM (modulace šířky pulzů), aby LED diody mohly být zapínány nebo vypínány ve skutečně chladných vzorech. Co následuje v tomto návodu, je popis opravdu skvělého designu založeného na mikroprocesoru Microchip to vypadlo z mé touhy po osvětlení vánočních stromků. Podívejte se na video níže, abyste rychle zjistili, co je Kemper LED PWM Lamp Controller schopen zobrazit. Všimněte si, že je těžké získat dobré video LED v akci, které používají PWM pro ovládání intenzity. Je to stejný problém, když se pokoušíte video monitorovat počítač. 60 Hz diod LED se dostane do bitevního rytmu s 30 Hz videokamery. Proto, i když jsou časy, kdy je obraz LED diod trochu „závadný“, ve skutečnosti tomu tak není. Při pohledu lidským okem se zdá, že diody LED nemají žádné závady. Viz níže uvedený softwarový krok, kde najdete další diskuse o videotapování LED diod.

Krok 1: Navrhněte cíle

Poté, co jsem o tomto projektu strávil vánoční přestávku, přišel jsem na seznam přání. Zde jsou některé funkce (seřazené v pořadí), které jsem chtěl pomocí svého ovladače LED: 1) Každá LED lampa musí být co nejlevnější. Řetězec 100 lamp bude stát hromadu, pokud každá lampa stojí hodně. Náklady jsou proto hlavním faktorem. Malý mikro generuje signály PWM, takže diody LED lze ztlumit nebo vyblednout. LED diody mohou vypadat drsně, když jsou jednoduše zapnuty a vypnuty. Pomocí signálů PWM lze LED diody vyblednout nahoru a dolů, aniž by byly tvrdé hrany normální k LED diodám. 3) Aby bylo zapojení jednoduché, bude každá lampa přijímat příkazy pomocí dvouvodičového rozhraní. Napájení a komunikace budou sdílet stejné dva vodiče. Příkazy k lampám prozradí mikroprocesoru na palubě, které LED diody mají řídit pomocí PWM.4) Musí vypadat skvěle! Myslím, že by to mělo být opravdu přečíslováno, takže je to číslo jedna. Zde jsou některé z menších cílů návrhu (žádné konkrétní pořadí): 1) Pro vývoj musí být snadné přepracovat / přeprogramovat obvod. 2) Počítač by měl být schopen generovat příkazy k lampám. Díky tomu je vývoj vzorů mnohem snazší než použití jiného integrovaného mikro. 3) Každá lampa by měla mít jedinečnou adresu. Každá LED dioda v lampě musí být také jednoznačně adresovatelná. 4) Protokol příkazu by měl podporovat MNOHO lamp na jednom řetězci vodičů. Současný design podporuje 128 lamp na jednom řetězci. Se 4 LED diodami na lampu, která funguje na 512 LED na jednom řetězci dvou vodičů! Všimněte si také, že každá z těchto 512 LED má plný PWM, který ji řídí.5) Protokol by měl mít příkaz, který říká: „Začněte blednout LED z této úrovně na tuto úroveň“. Jakmile začne blednutí, lze na stejné lampě nastavit a nastavit i vyblednutí dalších LED diod. Jinými slovy, nastavte LED do mizejícího vzoru a poté jej zapomeňte s vědomím, že LED provede příkaz. To znamená víceúlohový software na mikro! 6) Měly by existovat globální příkazy, které ovlivňují všechny lampy najednou. Proto lze všechny LED diody ovládat pouze jedním příkazem. Zde jsou některé opravdu malé cíle návrhu (opět žádné konkrétní pořadí): 1) Potřebujete způsob, jak mít hlášení lampy zpět, když dojde k chybě komunikace. To by umožnilo znovu odeslat příkaz.2) Protokol příkazu potřebuje způsob, jak mít efektní globální vzor shody. To by umožnilo vybrat každý x počet lamp jedním příkazem. To by usnadnilo vytváření honičských vzorů s velkým počtem lamp. Jako příklad by to umožnilo odeslání příkazu každé třetí lampě na řetězec lamp. Poté mohl být další příkaz odeslán další skupině tří. 3) Logický systém detekce polarity automatické komunikace by byl také skvělý. Poté není důležitá polarita dvou napájecích vodičů k LED lampám. Další informace o této funkci najdete v části hardwaru.

Krok 2: Prototypování:

Nyní je začátek ledna a já vyrážím. Našel jsem 10F206 na Digikey a je to opravdu levné! Točím proto proto desku, abych držel mikroskop 10F206 od společnosti Microchip. Navrhl jsem rychlou desku, protože 10F2xx není k dispozici v balíčku DIP. Sečteno a podtrženo, nechtěl jsem se trápit s malým čipem. (V lednu jsem si byl tak jistý) Také jsem odešel a koupil si nový kompilátor CSS C zaměřený na mikroskopy 10F2xx. Rodina čipů 10F2xx je opravdu levná! S velkou nadějí jsem se ponořil a začal psát spoustu kódu. 10F206 má neuvěřitelných 24 bajtů RAM - čip také sportuje 512 bajtů blesku a jeden osmibitový časovač. Zatímco zdroje jsou řídké, cena je dobrá ve 41 centech ve velkém. Proboha, milion instrukcí za sekundu (1 MIPS) za 41 centů! Moorův zákon prostě miluji. Evan za jednorázové ceny, 10F206 od Digikey je uveden na 66 centů. Strávil jsem spoustu času prací s 10F206. Při práci s 10F206 jsem zjistil, že multitasking je naprosto nezbytný. Výstupní signály PWM MUSÍ být aktualizovány i při přijímání nových komunikačních zpráv. Jakékoli přerušení aktualizace signálů PWM bude považováno za závadu na LED diodách. Lidské oko opravdu umí dobře vidět závady. S čipem 10F206 je několik zásadních problémů. Přinejmenším zásadní problémy pro mou aplikaci. První problém je, že nedochází k přerušení! Zachycení začátku nové komunikace pomocí hlasovací smyčky způsobuje chyby časování. Druhým problémem je, že existuje pouze jeden časovač. Prostě jsem nemohl najít způsob, jak přijímat příkazy při zachování výstupů PWM. LED diody by se porouchaly při každém přijetí nového příkazu. Sdílení časovače mezi přijímáním příkazů a řízením výstupů PWM bylo také velkým softwarovým problémem. Při přijímání nového znaku jsem nemohl resetovat časovač, protože časovač byl také používán k ovládání signálů PWM. Při práci s 10F206 jsem v Circuit Cellar viděl článek o novém malém mikroskopu MC9RS08KA1 společnosti Freescale. Miluji čipy Freescale - jsem velkým fanouškem jejich ladění BDM. V minulosti jsem hodně používal čipy Star12 (veškerý software pro ultrazvukový systém GM Cadillac & Lacern jsem napsal na Star12 - můj ultrazvukový software se nyní vyrábí na těchto dvou automobilech). Takže jsem opravdu doufal, že jejich nové malé čipy budou dobré. Cena je také správná, Digikey má tyto čipy uvedené ve velkém množství na 38 centech. Freecale byl dobrý a poslal mi nějaké vzorky zdarma. Čip Freescale 9RS08 se však zdál opravdu praštěný - nemohl jsem s ním příliš pokročit. Čip také trpí nedostatkem přerušení a pouze jedním časovačem. No, alespoň jsem na to přišel, aniž bych zbytečně utrácel peníze za točení další proto desky. Viz obrázky níže. Nyní vím - pro svou aplikaci musím mít přerušení a více než jeden časovač. Zpět k Microchipu, našel jsem čip 12F609. Má přerušení a dva časovače. Má také 1 kB flash a 64 bajtů RAM. Temnější stránkou je cena; Společnost Digikey uvádí tyto čipy ve velkém na 76 centů. No, o to se brzy postará Moorův zákon. Pozitivní je, že 12F609 lze také objednat v balíčcích DIP. Na straně mínus jsem musel koupit kompilátor vyšší úrovně - to mi trochu spálilo @#$%^&.Teď je duben a já jsem se hodně naučil, co nebude fungovat. Roztočil jsem desku a utratil peníze za překladač, který nepotřebuji. Přesto je prozatím testování povzbudivé. S novým kompilátorem a čipy 12F209 v balíčcích DIP proběhlo testování na lavičce rychle. Testování potvrdilo, že mám správný čip. Čas roztočit další proto desku! V tomto bodě jsem rozhodnutý.

Krok 3: Vývojová rada 12F609

Dobře, čerstvé testování mimo lavičku, jsem připraven vyzkoušet další roztočení desky. V tomto designu desky jsem opravdu chtěl vyzkoušet myšlenku posílání energie a komunikace přes stejné dva dráty. Pokud by byly chyby komunikace ignorovány, byly by zapotřebí pouze dva vodiče. To je prostě skvělé! Zatímco odesílání komunikace přes napájecí vodiče je skvělé, není to nutné. Všechny žárovky lze v případě potřeby spojit dohromady na jeden komunikační vodič. To by znamenalo, že každá lampa bude vyžadovat tři vodiče se čtvrtým volitelným stavovým vodičem zpětné vazby. Viz diagram níže. Napájení a komunikaci lze kombinovat pomocí jednoduchého H-Bridge. H-Bridge může bez problémů pohánět velké proudy. Mnoho silnoproudých LED diod lze spojit pouze dvěma vodiči. Polaritu stejnosměrného napájení lamp lze pomocí H-Bridge přepínat velmi rychle. Každá lampa tedy používá plný vlnový můstek k nápravě přepínání DC zpět na normální DC napájení. Jeden z mikropinů se připojuje k nezpracovanému příchozímu spínanému stejnosměrnému proudu, aby bylo možné detekovat komunikační signál. Proud omezující odpor chrání digitální vstup na mikro. Uvnitř mikro vstupního kolíku je surové spínací stejnosměrné napětí upnuto pomocí interních táborových diod mikro - spínací DC je upnuto (nulové až Vcc volty) těmito diodami. Most s plnými vlnami, který usměrňuje příchozí energii, generuje dva poklesy diody. Dvě kapky diod z můstku lze jednoduše překonat úpravou napájecího napětí H-Bridge. Šestivoltové napětí H-Bridge poskytuje na mikro mikro napájení pět voltů. Jednotlivé omezovací odpory jsou pak použity k oříznutí proudu každou LED. Zdá se, že toto schéma napájení / komunikace funguje velmi dobře. Také jsem chtěl zkusit přidat tranzistorové výstupy mezi mikro a LED. Pokud je během testování na lavičce 12F609 zatlačen na tvrdý (příliš velký proud ve své výstupní dráze), bude blikat všechny výstupy. Maximální proud pro celý čip podle datového listu, který může 12F609 podporovat, je 90 mA, celkem. No, to nepůjde! Jen bych možná potřeboval mnohem více proudu než to. Přidání tranzistorů mi dává schopnost 100mA na LED. Diodový můstek je dimenzován na 400mA, takže 100mA na LED schopnost se prostě hodí. Existuje nevýhoda; tranzistory stojí každý 10 centů. Přinejmenším tranzistory, které jsem vybral, mají vestavěné odpory - číslo dílu Digikey je MMUN2211LT1OSCT -ND. Když jsou tranzistory na místě, LED diody ŽÁDNĚ blikají. Myslím si, že u výrobních lamp nebudou tranzistory vyžadovány, pokud budou použity „normální“20mA LED diody. Vývojová deska navržená v tomto kroku je jen pro testování a vývoj. Deska by mohla být mnohem menší, kdyby byly použity menší odpory. Odstranění tranzistorů by také ušetřilo spoustu místa na desce. Pro produkční desky mohl být také odstraněn programovací port v obvodu. Hlavním bodem vývojové desky je jen prokázat schéma napájení/komunikace. Ve skutečnosti jsem po obdržení desek zjistil, že je problém s rozložením desky. Čip můstku plné vlny má praštěný pinout. Musel jsem odříznout dvě stopy a na spodní stranu každé desky přidat dva propojovací vodiče. Navíc stopy po LED a konektoru jsou příliš tenké. Žij a uč se. Nebude to poprvé, co jsem popletl nové rozložení desek. Nechal jsem vyrobit osm desek pomocí BatchPCB. Mají nejlepší ceny, ale jsou strašně sloooow. Získání desek zpět trvalo týdny. Přesto, pokud je vaše cena citlivá, je BatchPCB jediným způsobem, jak jít. Přepnu však zpět na AP Circuits - jsou super rychlé. Jen bych si přál, aby měli levnější způsob dopravy desek z Kanady. Obvody AP mi při každé objednávce dodají 25 dolarů za poštovné. Bolí to, když kupuji desky v hodnotě 75 dolarů. Pájení osmi malých desek mi trvalo dva dny. Trvalo další den, než jsem zjistil, že si se mnou pohrává stahovací odpor R6 (viz schéma). Myslím, že odpor R6 prostě není potřeba. Po přečtení datového listu jsem se obával a ukázalo se, že na tomto vstupním pinu nejsou žádné vnitřní mikro pull-upy. V mém návrhu je pin aktivně poháněn po celou dobu, takže koneckonců není potřeba vytahování. K odesílání příkazů na desku jsem použil jednoduché zprávy s rychlostí 9600 baudů z programu Python. Surový RS232 vycházející z PC je převeden na TTL pomocí čipu MAX232. Signál RS232 TTL jde na řídicí vstup H-Bridge. RS232 TTL také prochází invertorovou bránou v čipu 74HC04. Invertovaný RS232 pak přejde na druhý řídicí vstup H-Bridge. Takže bez provozu RS232 má H-Bridge 6 voltů. Pro každý bit na RS232 převádí H -Bridge polaritu na -6 voltů, dokud bit RS232 trvá. Viz obrázky blokového diagramu níže. Je také připojen program Python. Pro LED diody jsem koupil spoustu z https://besthongkong.com. Měli jasné 120stupňové LED diody v červené/zelené/modré/bílé. Pamatujte, že diody LED, které jsem použil, jsou pouze pro testování. Koupil jsem 100 z každé barvy. Zde jsou čísla pro LED, které jsem použil: Modrá: 350 mcd / 18 centů / 3,32 V při 20 mZelená: 1500 mcd / 22 centů / 3,06 V při 20 mA Bílá: 1500 mcd / 25 centů / 3,55 V při 20 mARed: 350 mcd / 17 centů / 2,00 V @ 20mAPomocí těchto čtyř LED diod k naplnění lampy se náklady zvýší stejně jako mikro za 82 centů! Au.

Krok 4: Software

Software tento projekt opravdu dělá! Zdrojový kód v 12F609 je opravdu komplikovaný. Používám někdy poslední paměťové místo! Můj kód spotřeboval všech 64 bajtů. Zůstalo mi neuvěřitelných 32 bajtů blesku jako rezervní. Používám tedy 100% RAM a 97% flash. Je však úžasné, kolik funkcí získáte při veškeré této složitosti. Komunikace s každou lampou je archivována odesláním osmibajtových datových paketů. Každý datový paket končí kontrolním součtem - ve skutečnosti tedy existuje sedm bajtů dat plus konečný kontrolní součet. Při 9600 baudech trvá jeden datový paket jen něco málo přes 8 milisekund. Jde o to, dělat více úkolů současně, až přijde balíček bytů. Pokud je některá z diod LED aktivní se signálem PWM, výstupní PWM musí být aktualizován i při příjmu nových bajtů paketů. V tom je ten trik. Trvalo mi týdny a týdny, než jsem to vyřešil. Strávil jsem obrovské množství času prací se svým Logiport LSA a snažil jsem se sledovat každý bit. Toto je jeden z nejsložitějších kódů, jaké jsem kdy napsal. Je to proto, že mikro je tak omezené. Na výkonnějších mikroprocesorech je snadné psát volný/snadný kód a rychle si ho prostřihnout, aniž byste si stěžovali. S 12F609 vás jakýkoli volný kód stojí spoustu. Veškerý zdrojový kód mikro je zapsán v jazyce C kromě rutiny služby přerušení. Můžete se ptát, proč mít tak velké datové pakety. Protože chceme, aby LED svítily nahoru a dolů samy od sebe. Jakmile je načten profil rampy, LED může zhasnout a začít rampovat, i když přijímáte nové příkazy pro jinou LED. Každá lampa musí přijímat a dekódovat veškerý provoz datových paketů, i když paket pro ni není určen. Profil LED se skládá z počáteční úrovně, doby prodlevy, rychlosti rampy, nejvyšší úrovně, doby prodlevy, rychlosti snižování rampy, spodní úrovně. Viz přiložený diagram. Páni, to je na jednu LED hodně. Nyní vynásobte počet LED diod. Je toho moc - mohl jsem sledovat pouze tři LED diody s plnými rampovými profily. Čtvrtý (bílá LED na desce vývojáře) má pouze rampu od/do schopnosti. Je to kompromis. Podívejte se na přiložený obrázek profilu rampy. PWM signál je generován z časovače, který běží na 64uS na jedno zaškrtnutí. Osmibitový časovač se otáčí každých 16,38 mS. To znamená, že signál PWM běží na 61,04 Hz. To není dobré pro klepání videa! Takže jsem použil softwarový trik a skočil pár dalších počtů do časovače, abych to natáhl na 60 Hz. Díky tomu vypadá klepání videa mnohem lépe. Při každém převrácení časovače PWM (16,67 mS) aktualizuji profily rampy. Proto je každé zatržítko/prodleva 1/60 sekundy nebo 60 Hz. Nejdelší segment profilu (s použitím počtu 255) bude trvat 4,25 sekundy a nejkratší (s použitím počtu 1) bude trvat 17 ms. To dává pěkný rozsah pro práci uvnitř. Podívejte se na přiložený obrázek z logického analyzátoru. Chcete -li opravdu vidět detaily na obrázku, otevřete obrázek v režimu vysokého rozlišení. To vyžaduje pár kliknutí navíc na instruktážní webové stránce. Níže je také nakreslen profil. Dokumentace příkazového protokolu je na mém seznamu úkolů. Mám v plánu napsat typ dokumentu na datový list, který by protokol zcela popsal. Začal jsem datový list pro čip - předběžná verze je nyní na mých webových stránkách.

Krok 5: Potenciální aplikace

Světlo vánočního stromku: Určitě si myslím, že strom plný těchto dětí by byl prostě úžasný. Dokážu si představit příjemnou hřejivou záři zelených světel se slabým sněhem padajícím přes strom. Možná pomalé blednutí ze zelené na červenou s náhodným padajícím sněhem. Chaserova světla vytvářející spirálovitý vzor nahoru a dolů po stromu by byla také úhledná. Z hrubého zaparkuji tento strom venku na dvoře a zblázním „Jonese“od vedle. Tam to zkuste porazit! Accent Lighting: Cokoli pro tyto lampy je cíl. Můj švagr je chce dát na dno jeho akvária. Přítel chce zdůraznit svůj motor horké tyče - sešlápnutí plynového pedálu by vyvolalo červený záblesk světla. Uvažoval jsem také o vybudování jednoho z těchto s mými lampami: https://www.instructables.com/id/LED_Paper_Craft_Lamps/ Byl by to skvělý projekt Cub Scouts. Skládací LED řetězec: Řadu LED lamp lze skládat do tvarů. Sedm lamp bylo možné složit do sedmisegmentového LED vzoru. Mohl by být vyroben obrovský displej - byl by to skvělý odpočítávací displej pro nové roky! Nebo možná displej pro zobrazení akciového trhu - červené číslice ve špatné dny a zelené v dobré. Možná velký displej ukazující venkovní teplotu. 3D Grid Díky zavěšení a uspořádání řady LED diod lze snadno vytvořit 3D mřížku LED. Na YouTube je několik skvělých příkladů 3D LED polí. Stávající příklady, které jsem viděl, však vypadají malé a bolestivé. Možná bude o Vánocích ve dvoře také velká 3D mřížka. Plug-in WinAmp: Každý, kdo byl v mé laboratoři a viděl světla, se ptá, zda tančí na hudbu. Trochu jsem kopal, zdá se, že by bylo docela snadné přidat modul plug-in do WinAmp. Plug-in by odesílal zprávy na připojený řetězec lamp, takže světla by byla synchronizována s hudbou, kterou hrál WinAmp. Synchronizace vánoční hudby s mým vánočním stromkem by byla úžasná. Integrovaný robotický ovladač Baby Orangutan B-328 s H-můstkem: Malý ovladač od Pololu by byl perfektní. Viz: https://www.pololu.com/catalog/product/1220 Tato deska již má H-Bridge připravený. Do mikro lze naprogramovat vzory lamp, aby bylo možné počítač vypnout. 802.15.4: Přidáním 802.15.4 by se lampy mohly stát bezdrátovými. Pro osvětlení vánočního stromku, která se šíří po domě, by to bylo skvělé. Nebo by bylo možné přidat lampy do každého okna ve velkém komplexu budov. Cool. Rotating 'Lighthouse Beacon: Můj syn měl školní projekt na stavbu majáku. Cílem bylo postavit sýrové bateriové světlo s vypínačem na kancelářské sponky, aby se maják skutečně rozsvítil. Žádný můj syn s tím nepůjde do školy, když bude mít plně foukaný otočný maják! Podívejte se na přiložené obrázky a video.

Krok 6: Shrnutí

Opravdu mě udivuje, že každá lampa má 2 MIPS koňské síly v SOIC-8 za 80 centů. Jak se řada lamp prodlužuje přidáním dalších lamp, zvyšuje se také množství MIPS na řetězci. Jinými slovy, toto je škálovatelný design. Hučí řada 16 lamp a 32 MIPS výpočetního výkonu. Prostě úžasné. Čeká nás ještě spousta práce. Vývojovou desku je třeba aktualizovat. Existuje několik chyb v rozložení, které je třeba opravit. Zdá se, že zapojení výstupu chyby komunikace nefunguje s výstupem tranzistoru. Ještě si nejsem jistý, proč - zatím jsem netrávil čas tím, že bych to vyřešil. Přijímací komunikační kód vyžaduje také trochu více práce. Sledováním LED diod vidím, že se často vyskytují chyby komunikace. Zdá se, že na 1 000 zpráv je v průměru jedna náhodná chyba. Potřebuji najít výrobce SMD, který by mi byl ochoten vyrobit lampové desky. Možná by to zajímalo Spark Fun? Mám kamaráda v Hongkongu, který by mi mohl najít výrobu. Montáž desky musí být automatizovaná. Je prostě nemožné postavit tyto desky ručně, jako jsem to udělal já. Je třeba vyvinout desku rozhraní PC. To by mělo být opravdu snadné - je to jen otázka toho, že si na to uděláte čas. Cena je král - minimalizované náklady na lampu (80 centů za mikro + tři LED diody po 10 centech + deska / odpory / 20 centový diodový můstek) celkem možná 1,50 dolaru. Přidejte montáž, zapojení a zisk a mluvíme o 2,00 až 2,50 $ za lampu. Zaplatí geekové 40 dolarů za šňůru 16 RGB lamp na provázku? Sečteno a podtrženo, doufám, že bude zájem ze strany kutilů. S nějakou pozitivní zpětnou vazbou budu pokračovat v přeměně této myšlenky na produkt. Dokázal jsem si představit prodej čipů, desek pro vývoj lamp a kompletních světelných řetězců. Dejte mi zpětnou vazbu a dejte mi vědět, co si myslíte. Další informace a novinky o dalším vývoji najdete na mých webových stránkách na adrese https://www.powerhouse-electronics.com Děkuji, Jim Kemp