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Come utilizzare un controller di segnale digitale (DSC) per pilotare un LED RGB per una scheda pixel

Come utilizzare un controller di segnale digitale (DSC) per pilotare un LED RGB per una scheda pixel

La popolarità dei LED RGB ad alta luminosità per le applicazioni di illuminazione sta crescendo così come il prezzo di questi dispositivi sta diventando sempre più attraente. Comunque, questo tipo di componente comporta una complessità di progettazione maggiore rispetto a quella dei LED normali. Per pilotare in modo efficiente i LED ad alta luminosità, è richiesta un alimentatore a commutazione e deve essere implementato un algoritmo per la miscelazione dei colori. Questo articolo descrive una semplice applicazione dove il crontroller del segnale digitale (DSC) è utilizzato per pilotare un LED ad alta luminosità per una scheda a pixel, collegati in una rete per creare una matrice RGB.

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Come utilizzare un controller di segnale digitale (DSC) per pilotare un LED RGB per una scheda pixel - Introduzione

Dalle piccole applicazioni fino ai grandi progetti, i sistemi ad illuminazione LED stanno sostituendo i tradizionali sistemi di illuminazione utilizzati oggigiorno. Le applicazioni, come una illuminazione architetturale, dove I LED forniscono il cambio del colore e altri effetti si stanno evolvendo rapidamente. Passare dall’illuminazione tradizionale a quella ad alta luminosità e basso consumo energetico non è così difficile come si potrebbe pensare. Un sistema di controllo a basso costo fornisce funzionalità aumentate e una flessibilità che l’illuminazione di oggi richiede, con la luminosità LED ed un effetto sui colori controllato da algoritmi eseguiti sul microcontroller.

Questo articolo descrive l’implementazione di una matrice modulare a LED RGB ad alta luminosità usando un DSC di basso costo. Serve come una base per sviluppare applicazioni più complesse e a più alte prestazioni. Il progetto è facilmente espandibile, dalle performance del DSC che sono offerte da microcontroller a 8 bit. Eppure non è ancora costoso come le soluzioni a 32 bit di fascia alta, che la rendono un’ottima soluzione per l’illuminazione ad alta efficienza. Una demo funzionante e spiegazioni addizionali possono essere viste:

Panoramica della matrice LED ad alta luminosità
Il sistema è costituito da una rete di LED RGB ad alta luminosità e da una scheda gateway che invia i comandi per pilotare questa matrice. La rete di LED RGB consiste di un insieme di schede pixel, ognuna con un DSC e un LED RGB ad alta luminosità. Questa matrice espandibile di pixel è in grado di operare in modalità standalone o in modalità connessa. In modalità standalone, ogni pixel viene impostato per visualizzare un insieme di modelli di colore ed effetti preprogrammati.

In modalità connessa, la scheda gateway riceve informazioni da un computer o una rete e gli indirizza ogni scheda pixel in modo indipendente per aggiornare il colore visualizzato. Le sequenze possono essere progettate per fornire complessi effetti di illuminazione. La scheda gateway può anche ricevere una risposta dalle diverse schede pixel. Ogni scheda pixel ha un indirizzo assegnato, e riceve le informazioni dal master di rete sulla scheda gateway.

L’USB o l’Ethernet possono essere utilizzati per collegare la scheda gateway e un computer. Protocolli di illuminazione industriali o specifici possono essere utilizzati per la rete di LED.
Figure 1 illustra le connessioni tra i differenti elementi del sistema.

dsc_rgb-led-system-overview
Figure 1 – System overview

Requisiti della scheda pixel
Il numero e le capacità delle periferiche del microcontroller e l'algoritmo usato per pilotare i LED sono le principali differenziazioni in una applicazione di illuminazione a LED. I LED RGB ad alta luminosità e il controller sono i componenti principali della scheda pixel. Utilizzare un approccio con la scheda pixel permette l'applicazione di essere facilmente espansa. Ogni scheda indipendente può essere collegato ad altre quattro schede pixel, consentendo di costruire una matrice più grande se lo si desidera.

Il controller pilota il LED a seconda dei dati ricevuti dalla rete o dei valori predefiniti memorizzati sulla memoria flash interna. L’algoritmo di miscelazione del colore si basa sul PWM e su convertitori analogico-digitale (ADC) per visualizzare il colore desiderato. Le restrizioni di progettazione e i requisiti possono variare notevolmente, a seconda dell'applicazione finale.

La figura sotto illustra l’implementazione della scheda pixel:

 pixel board implementation
Figure 2 – Pixel board components

Implementazione Hardware

L’hardware della scheda pixel può essere suddiviso in quattro diverse parti:

Controller

Basato sulla lista dei requisiti mostrata nella figura 2, il controller selezionato dovrebbe avere una interfaccia seriale periferica ad alta per garantire una comunicazione veloce tra i nodi della rete. Ha anche bisogno di ADC accurati e un modulo PWM per gestire il corrispondente algoritmo di controllo del colore.

Il DSC MC56F8006 da Freescale è stato scelto per il controller principale. Si tratta di una soluzione ottimizzata nel costo che utilizza il core 56800E, basato su una architettura dual Harvard, e ha un insieme di periferiche che soddisfa i requisiti delle applicazioni e consente l'espansione futura.

Il DSC MC56F8006 è alimentato da un alimentatore a 3,3 V. Ha un oscillatore interno da 8 MHz che può alimentare il modulo PLL per generare più alte frequenze utilizzate dal modulo SCI. Quindi l'uso di un clock esterno è facoltativo.

Per generare il clock dell’SCI, l’oscillatore interno lavora come input al modulo PLL che genera un clock di 192 MHz. Poi è diviso per due per raggiungere il clock delle periferiche ad alta velocità di 96 MHz. Il generatore di baud rate nel SIC quindi utilizza questo clock di 96 MHz per comunicare fino a 6 Mbps.
Il circuito intorno al controller è composto dai seguenti componenti:

    • Interfaccia JTAG utilizzata per programmare il controller della memoria flash interna ed eseguire il debug delle applicazioni software. Quattro pin del controller vengono utilizzati per l'interfaccia JTAG: TDI, TDO, TMS e TCK.
    • Tre canali PWM collegati ai transistor controlla l'interruttore buck per la fornitura di corrente ai LED.
    • Otto I/O sono utilizzati per l'indirizzamento e la configurazione del sistema.
    • Tre ingressi analogico-digitale leggono la corrente che scorre sui LED.
    • L’SCI è collegata ad una RS-485, utilizzando tre piedini: TX, RX e GPIO per l’abilitazione dei dati.

Circuito di pilotaggio LED
Un circuito buck è utilizzato per pilotare i LED ad alta luminosità. Funziona come un convertitore DC-DC, e lo scopo di questo circuito è quello di ridurre la tensione di ingresso di 5 V, utilizzando il modulo del controller PWM, ad una tensione inferiore appropriata per ogni LED.
Per controllare il colore del LED, l’ingresso del modulo ADC è collegato a una resistenza per il rilevamento della corrente in serie con il LED. Il controller testa l'ADC e calcola la corrente attraverso il LED. Determina quindi se il duty cycle del PWM necessita di aggiustamento.

PWM adjustment
Figura 3 – aggiustamento PWM

Indirizzamento pixel
Come accennato in precedenza, ogni scheda pixel può essere letta in maniera indipendente. Ci sono diversi modi per implementare la scheda pixel indirizzando lo schema, e ciascuno di essi ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Un modo semplice per farlo è quello di utilizzare un interrotto hardware collegato ai controller I/O. Il controller legge questi pin per determinare l'indirizzo sulla rete dei pixel nel software in start up. Altri approcci usano indirizzi codificati nella memoria flash interna o per utilizzano un algoritmo sul master di rete per fornire in modo dinamico gli indirizzi di ciascuna scheda. E 'importante assicurarsi che il metodo di indirizzamento scelto soddisfa i requisiti di tutte le schede pixel sulla matrice.

Interfaccia di rete
Diversi fattori devono essere presi in considerazione quando si progetta il protocollo di comunicazione tra le schede pixel, come la distanza tra le schede. Il protocollo di illuminazione specifico standard o proprietario può essere utilizzato per questa operazione. In questo esempio di implementazione, la RS-485 è utilizzata come connessione fisica per un messaggio di protocollo proprietario. L’RS-485 è un protocollo industriale che può essere utilizzato fino a 20 MHz in modalità simplex e half-duplex. Il segnale è trasmesso utilizzando solo due fili, A e B, e quando in modalità differenziate, l’RS-485 evita le interferenze.

By Renato Frias

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