Fin dalla loro nascita, i LED (Light Emitting Diode - diodi emettitori di luce) sono stati applicati e utilizzati in svariati settori grazie alle loro caratteristiche e oggi, mediante recenti tecniche di realizzazione, si è arrivati a una delle loro dirette evoluzioni: gli High-Brightness LED.
Questi LED, anche noti con la sigla HBLED, come suggerisce il nome, non sono altro che LED ad alta luminosità, di gran lunga maggiore rapportata a quella emessa da LED standard e tale caratteristica ha aperto nuove strade verso altre applicazioni come, ad esempio, retroilluminazione per display, illuminazione automobilistica, illuminazione stradale ma anche per prodotti di consumo come flash per telefoni cellulari con fotocamera o proiettori compatti. Perciò, viste le loro performance di alta luminosità, bassi costi, vita lunga ma anche conformità ai vari standard vigenti oggi, gli HBLED si sono imposti in molti settori in cui fino a ieri altre tecnologie regnavano sovrane. In questo ambito, ad esempio, Freescale Semiconductor ha sviluppato un High Power/High Brightness Lighting Reference Design (LRD) e rese disponibili delle “evaluation board” per l’illuminazione HBLED da poter interconnettere tra loro a formare una rete (networked LED lighting), gestendo le comunicazioni tra le varie board mediante un protocollo a scelta, selezionabile dall’utilizzatore tra il DALI o il DMX512A. Freescale fornisce una piattaforma dimostrativa completa e un set di documentazione che comprende Bill Of Materials (BOM), file gerber, schematici, manuali di riferimento ma anche i firmware (codici sorgenti in C) per i microcontrollori e l’eseguibile del software da installare su PC per il controllo e la gestione delle schede che ora vedremo maggiormente in dettaglio.
SYSTEM OVERVIEW
Prima di scendere nei particolari, è doveroso fare alcune distinzioni per quanto riguarda le schede disponibili di Freescale: una scheda di controllo e monitoraggio della rete (networked LED lighting), che identificheremo come “Control Unit Board” (CUB), collegabile mediante interfaccia USB e gestibile attraverso un software (GUI - Graphical User Interface) molto intuitivo installato su PC, si veda Figura 1; una o più schede di comando/gestione LED, identificate da ora in poi come “Driver Unit Board” (DUB), che, interconnesse tra loro, formano la rete d’interesse.
Figura 1: Control Unit Board (CUB)
Una tale configurazione è visibile in Figura 2, dove si nota la connessione di una CUB a un PC, sul quale è installato il software sopracitato e la comunicazione avviene mediante il protocollo USB grazie allo stack USB della Freescale presente sulla Control Unit Board; all’interno del diagramma a blocchi di tale scheda sono anche visibili i blocchi driver dei protocolli di comunicazione DALI e DMX512A che permettono lo scambio di dati con la Driver Unit Board mediante gli appositi transceiver hardware.
Figura 2: Diagramma a blocchi del sistema Freescale
Una differenza significativa tra le due schede è il microprocessore, la CUB utilizza un MCF52259 (Kirin3) 32-bit corredato di varie periferiche tra cui anche il CAN oltre a quelle standard, mentre la DUB sfrutta l’integrato MC13213 SiP che al suo interno comprende un transceiver Zigbee (IEEE 802.15.4) e un micro 8-bit MC9S08GB60. Freescale aggiunge una maggiore flessibilità a tutto questo sistema, dando la possibilità di scegliere tra due differenti Driver Unit Board: High Power board (HP), in Figura 3, fino a 12A canale/LED, con un driver LM3433 a corrente costante della National Semiconductor e un LED della Luminus CBM380 RGBW che offre la possibilità di rosso, verde, blu e bianco in un singolo package capace di dissipare fino a un massino di 32A; Low Power board (LP), in Figura 4, fino a 1.5A canale/LED con driver LM3406 a corrente costante della National Semiconductor e con LED Philips Lumileds Rebel RGBW anche esso rosso, verde, blu e bianco in un solo package, ma come si evince dalla Figura 4, la scheda sfrutta una board figlia (Figura 5) su cui è assemblato il LED della Philips, perciò è possibile utilizzare differenti schede figlie con differenti LED selezionabili da vari costruttori (Avago, Cree, Osram, Stanley, etc.) a patto che i pin di connessione coincidano. Quindi, riassumendo, possiamo dire che ogni Lighting Reference Design kit (LRD) di Freescale è composto da una scheda HP o due LP, interconnesse tra loro mediante i protocolli di comunicazione DALI o DMX512A (specifici per l’illuminazione) e collegate a un PC “windows based” attraverso la Control Unit Board, con protocollo USB 2.0. Mediante la GUI installata su PC, l’utente può controllare il bilanciamento dei colori e la luminosità di LED multipli collegati alla “networked LED lighting”, grazie alla comunicazione DALI o DMX512A.
Figura 3: Driver Unit Board (DUB) High Power
Figura 4: Driver Unit Board (DUB) Low Power
Figura 5: Scheda Philips Lumileds
CONTROL UNIT BOARD
Avendo analizzato in generale il funzionamento del sistema, scendiamo un pò più nel dettaglio delle schede per capire che tipo di hardware utilizzano. Facendo riferimento alla Figura 1, nella parte centrale della board è visibile il micro della Freescale MCF52259, sul quale è presente lo stack di comunicazione USB del MQX RTOS, che offre una API con un’architettura modulare di facile utilizzo, personalizzabile e scalabile per soddisfare la maggior parte delle esigenze e poter realizzare facilmente le proprie applicazioni. La CUB si pone da interfaccia tra il PC, su cui è presente la GUI e la rete composta da una o più DUB, per tale motivo ha vari ingressi e uscite:
- La porta seriale RS232 (in alto a sinistra), usata esclusivamente per il debug a “data rate” di 115200bps 8N1;
- Connettore mini USB A/B (dopo RS232 e switch);
- Connettore di debug per il micro MCF52259;
- Connettore Ethernet RJ45 (sul lato sinistro della scheda), collegato al modulo FEC (Fast Ethernet Controller) del micro ma attualmente non viene utilizzata come connessione;
- Connettore +12V per DALI (in basso a destra), perché per utilizzare tale comunicazione, questa scheda deve essere in grado di erogare 250mA ed avere un range di valori che vanno da 0V fino a 10V - 11V per i valori logici.
Connettore dati DALI (a sinistra del precedente, connettore due poli verde); Due connettori per il DMX512A (ultimi due connettori a sinistra in basso), che vengono usati come ricevitore e trasmettitore, rispettivamente. Si può notare il jumper rosso dietro tali connettori, che permette alla CUB di essere completamente isolata dall’interfaccia DMX e l’impostazione predefinita di questo ponticello è montata, ovvero non isolata. Oltre le interfacce di ingresso/uscita, i vari componenti e integrati, si possono distinguere due switch, il primo immediatamente dietro il connettore dati DALI che permette all’utilizzatore di impostare il protocollo scelto tre il DMX512A e il DALI; il secondo switch è situato tra il connettore RS232 e il mini USB, grazie a esso è possibile selezionare l’alimentazione USB 5V della scheda. Infine, sia la Controller Unit Board che le DUB, sono provviste di modulo Zigbee (IEEE 802.15.4), in Figura 1 è distinguibile l’antenna su PCB immediatamente sopra il logo della Freescale e l’integrato per la gestione di tale protocollo sulla sinistra rispetto all’antenna. Mediante tale struttura è possibile controllare le DUB in maniera wireless.
HP BOARD AND LP BOARD
In entrambe le schede di Figura 3 (HP) e Figura 4 (LP), possiamo notare caratteristiche simili, come le interfacce di comunicazione quali DALI, DMX e Zigbee con tutta la circuiteria associata come connettori e integrati, ma nella gestione dei LED il discorso cambia, infatti, nella High Power board sono presenti quattro induttori per alte correnti e la circuiteria per gestire quattro LED separati fino a 12A. In aggiunta, il connettore due vie sulla sinistra degli induttori viene utilizzato per il collegamento verso il LED CBM380 visibile in Figura 6; il connettore sei vie fornisce alimentazione ai quattro LED del CBM380 e al connettore quattro vie viene applicata la 12V da un alimentatore con alte correnti. Analizzando la scheda Low Power, invece, abbiamo solo il connettore quattro vie per le alimentazioni dell’intera board e dei LED fino a un massino di 1.5A per canale/LED; è visibile la board figlia connessa di Figura 5 ma non sono visibili i driver di pilotaggio dei quattro canali perché sottostanti quest’ultima scheda. I LED delle Philips sono ricoperti da un diffusore ottico e hanno bisogno di un piano abbastanza grande per la diffusione termica e quindi per dissipare il calore da loro generato. Infine, rispetto alla Control Unit Board, entrambe le schede hanno il modulo MC13213 che comprende sia il micro che il modulo Zigbee, distinguibile nelle Figure 3 e 4 perché collegato all’antenna a PCB.
Figura 6: Luminus CBM380 RGBW
PROTOCOLLO DALI
Il DALI (Digital Addressable Lighting Interface) è uno standard d’interfaccia digitale utilizzato nelle reti d’illuminazione (non è un sistema bus, ma la definizione di una nuova interfaccia) e rappresenta un sistema con intelligenza distribuita, questo significa che, ad esempio, i valori di emissione luminosa di differenti scenari illuminotecnici e il raggruppamento delle diverse sorgenti luminose sono memorizzati all’interno di schede elettroniche, come le board della Freescale precedentemente analizzate. Una classica configurazione d’interconnessione è visibile in Figura 7, in cui è presente una scheda di controllo (CUB) e uno o più blocchi d’illuminazione aventi l’interfaccia DALI (DUB); dalla figura si evince anche la necessità dell’alimentazione della CUB oltre ai moduli DALI e i collegamenti mediante linea DALI.
Figura 7: Configurazione DALI tipica
Tale protocollo permette di indirizzare individualmente ogni singola scheda ma anche schede multiple simultaneamente incorporando messaggi broadcast per “Gruppi” o “Scenari” (esempio ‘Gruppo 1 illuminazione 100%’ oppure ‘Richiamare Scenario 1’) grazie all’assegnazione di un unico indirizzo statico per ogni board, in un range tra 0 e 63. Nel caso in cui sia necessario avere un numero maggiore di schede collegate alla stessa rete, è possibile creare una sottorete attraverso un gateway DALI. I dati vengono trasferiti con una comunicazione asincrona half-duplex essendo un protocollo seriale su bus differenziale “two-wire” con data rate fisso a 1200 bit/s e quindi sono sufficienti solo due cavi per la comunicazione delle varie board collegate alla rete, in più, avendo un alto rapporto segnale-rumore permette comunicazioni affidabili anche in presenza di una grande quantità di rumore elettrico e avendo un ponte di diodi in ingresso si può anche non far caso alla polarità. I dati da immagazzinare, come ad esempio le configurazioni, gli scenari e altro, prima venivano salvati in delle EEPROM ma questo era problematico per il numero di cicli di scrittura supportati da tali integrati, invece ad oggi i device DALI utilizzano la RAM nelle normali operazioni riducendo la problematica delle EEPROM ed estendendo il ciclo di vita. Il DALI dispone di un elevato potenziale di mercato, dato che questo standard viene supportato da importanti aziende attive a livello internazionale. Possiamo nominare, ad esempio, società come Altenburger, Helvar, Insta, Magnetek, OSRAM, Philips, Tridonic e Trilux senza con questo completare l’elenco delle aziende coinvolte. Tutto ciò dimostra l’importanza della normalizzazione dello standard DALI per garantire comunicazione e funzionalità dei componenti realizzati dai diversi produttori. Con lo sviluppo del protocollo DALI nel mercato, è facile prevedere l’aggiunta di altre aziende all’elenco. Infine, per garantire l’intercambiabilità tra i componenti DALI di diversi produttori, l’interfaccia DALI è stata inserita come appendice E della normativa IEC 929 diventando, così, uno standard non proprietario capace di rispondere a tutti i requisiti del moderno controllo della luce.
PROTOCOLLO DMX512A
DMX512, spesso abbreviato a DMX (Digital MultipleX), è un protocollo di comunicazione usato principalmente per il controllo dell’illuminazione di scena e per controllare da computer centrale impianti di illuminazione complessi. Il DMX nella sua concezione originale era stato pensato per permettere il collegamento di controller e dimmer di diverse marche, un protocollo da usare come ultima risorsa nel caso altri protocolli proprietari non fossero stati compatibili. Di fatto, questo standard, prese piede e in breve tempo fu utilizzato per collegare anche altri dispositivi più avanzati. Una configurazione d’interconnessione è visibile in Figura 8, in cui dalla CUB si passa alla prima Driver Unit Board e poi in cascata verso le altre, in configurazione “Dasy Chain”. Infine, il connettore dell’ultima board deve avere inserito un terminatore DMX512A, che è una resistenza da 120 Ohm e 0.25W tra il pin 2 e 3 del connettore.
Figura 8: Configurazione DMX512A tipica
Ogni cavo DMX512 può trasmettere (in modo seriale a 250 kbps) fino a 512 valori da 8 bit, tra 0 e 255, in questo modo un cavo può controllare fino a 512 dispositivi distinti. Siccome DMX supporta solo 512 canali, ci si può imbattere in situazioni in cui sono necessari “universi” DMX distinti. Per universo DMX si intende una singola linea di collegamento dal controller e tutti i dispositivi associati a quel cavo. La maggior parte delle console DMX recenti supportano più di un universo DMX, ognuno dei quali deve essere cablato indipendentemente, perciò non si può avere alcun gatway come accadeva per il DALI ma, in ogni caso, in cascata si possono collegare 512 dispositivi. I dati DMX512 vengono inviati utilizzando i livelli di tensione e il sistema di cablatura dello standard RS-485, infatti, la specifica DMX fa riferimento a RS-485 per le informazioni riguardanti i segnali elettrici.
SOFTWARE LIGHTING DEMO
Dal punto di vista software, Freescale fornisce un programma da installare su PC dal nome “Lighting Demo” (LD) e attraverso la connessione USB con la Control Unit Board, riesce a gestire tutta la “networked LED lighting”. Tale scheda legge la configurazione degli switch (relativi al tipo di protocollo DALI/ DMX) presenti sulle varie Driver Unit Board e automaticamente effettua la prima scansione della rete. L’utilizzatore si può accorgere che, mediante una scansione con protocollo DALI, i risultati si ottengono molto più lentamente rispetto alla scansione tramite DMX512A, infatti quest’ultima lavora a 250kbps mentre con il DALI si arriva a 1200bps (circa 200 volte più lenta). In Figura 9 è mostrata l’interfaccia dell' LD in una rete con cinque LED Philips Lumileds, viene rilevato il numero di board collegate, i loro indirizzi all’interno della rete e sono riportati anche alcuni dati della CUB come tipo di micro e versione firmware. Nella colonna di sinistra si può anche vedere il tipo di protocollo utilizzato (in questo caso il DMX512A), sotto il quale sono selezionabili i vari LED della rete e configurabili singolarmente. In Figura 10 è riportata la selezione di un LED e il primo tab di configurazione dal nome “sRGB Colour Space” mediante il quale è possibile selezionare il tipo di colore e le tonalità desiderate; in Figura 11 è riportato il tab “CIE 1931 Coulor Space” in cui i LED possono essere configurati mediante lo spazio dei colori x,y (CIE 1931) ed è presente anche il barra per impostare la luminosità. Tralasciando il tab “Direct Coulor” in cui si possono selezionare le singole tonalità dei singoli colori, compreso il Cool White (CW) e guardando la Figura 12 in cui è mostrato il tab “Sensors”, è importante notare come in una tale struttura è possibile tenere sotto controllo le varie temperature dei LED. Il Lighting Demo offre anche altre opzioni che non verranno analizzate ma si rimanda alla guida disponibile sul sito della Freescale associata al programma.
Figura 9: Lighting Demo
Figura 10: Lighting Demo
Figura 11: Tab CIE 1931 Coulor Space
Figura 12: Tab Sensors
Mediante il sistema (hardware/software) analizzato di Freescale, si possono creare reti distribuite di LED per l’illuminazione, sfruttando sia board High Power che Low Power. Di lati positivi ne offre molteplici, tra cui l’alta configurabilità e la facile gestione mediante software installato su PC ma anche la possibilità di sfruttare protocolli standard per le comunicazioni già completamente implementati e scalabili rispetto alle proprie esigenze. Per tale ragione, è sicuramente un sistema con alte performance e grande flessibilità.
