MCUhobby.cz

Rotující LED displej je jednou z aplikací využívající nedokonalost lidského oka. Každý jednotlivý obraz v oku zanikne za cca 1/30 vteřiny. To umožňuje vytvořit displej složený „pouze“ z pruhu LED diod, které při roztočení na určitou frekvenci otáčení budou vytvářet neblikající kruhový obrazec. Protože se většinou tento displej používá pro zobrazení hodin a data, vžil se pro něj název „Propeller clock“, neboli „vrtulové hodiny“.

1. Princip činnosti

Na následujícím obrázku vidíme rameno s LED diodami otáčející se kolem středového bodu.

Základem displeje je rotující rameno kolem středového bodu . Na rameni je umístěno pro ukázku 12 LED diod, které se postupně v závislosti na poloze ramena rozsvěcují a zhasínají. Pokud budeme ramenem kroužit dostatečně rychle, dostaneme statický neblikající nápis „Hello“. Podmínkou je, že zaručíme dostatečně rychlé otáčení ramene. Čím větší frekvence otáčení , tím kvalitnější zobrazení. Experimentálně bylo zjištěno, že blikání displeje vyšší než 75 Hz oko už ani periferním pohledem nepostřehne.

Způsob zobrazení – Rotating display system – je již chráněn patentem USA No. 6856303.

2. Návrh konstrukce

Rotující LED displej je velice náročný z hlediska přesného časování a zobrazení. Dále jsou zde bodově uvedené požadavky na konstrukci:

• 32 LED v jedné řadě na rameni, řízení jasu
• obnovovací frekvence a s tím spojené měření otáček
• 120 (nebo 240) poloh ramene během jediné otáčky, tzn. úhel φ = 360°/120° = 3° (1,5°)
• hodiny reálného času zálohované baterií
• externí paměť EEPROM pro pozdější rozšíření
• ovládání režimu zobrazení pomocí dálkového ovladače s kódem RC-5
• napájení 5 V

Hardwarový návrh se bude skládat ze dvou desek. Zatímco DPS s názvem Statická část bude mít za úkol řídit otáčky motoru, DPS Rotující části bude mít za úkol zobrazení na displeji. Výběr komponent pro jednotlivé desky:

a) Statická část:

• BLDC motor – Je to třífázový (bezkartáčkový) motor s dlouhou životností, tichým chodem a možností regulace otáček. Hojně se používá v pevných discích (HDD).
• Řízení otáček motoru – Chod BLDC motoru musí být řízen regulátorem otáček, který obstarává správnou komutaci cívek točivého magnetického pole. Samotná teorie řízení BLDC motoru je obsáhlá a složitá, použili jsme zde řešení SoC (system on chip) od výrobce Toshiba. Ta dodává na trh novinku v řízení těchto typů motorů v podobě integrovaného obvodu TB6588FGES.

b) Rotující část:

• MCU dsPIC30F6015 – Výkonný DSP procesor od firmy Microchip. V této aplikaci taktován na výkon 30 MIPS (zpracování jedné MAC instrukce = 34ns). Provádí veškeré funkce rotačního displeje a je srdcem celého zařízení. Programování se provádí pomocí programátoru/debuggeru s názvem PICkit™ 2 přes rozhraní ICSP.
• Led driver – Je zde použit 2x integrovaný obvod STP16CP05. Jedná se o převodník ze sériového synchronního rozhraní (SPI) na 16bitový výstup s konstantním zdrojem proudu na každém z výstupu. Proud lze nastavit v rozsahu 5 ÷ 100 mA.
• Optosenzor CNY70 – Reflexivní optosnímač je zde použit pro měření doby otáčky rotující části. Informace se pak dále používá k přesnému časování zobrazení LED diod.
• RC-5 přijímač – Obsahuje v sobě infrasenzor na frekvenci 36kHz spolu s demodulátorem signálu. Impulzy na výstupu demodulátoru jsou v Manchester kódu a následně se musí dekódovat v MCU.
• EEPROM 128kB – Paměť typu EEPROM připojena ke sběrnici I2C. Umožňuje uživateli nahrát objemné data, jako jsou obrázky a animace do paměti, a poté je zobrazovat na displeji.
• RTC DS1307 – Výborný a jednoduchý obvod hodin reálného času komunikující rovněž po sběrnici I2C. Záložní baterie pomáhá v běhu hodin i po odpojení 5V napájecího napětí.

2.1 Statická část – Schéma zapojení a DPS

Schéma zapojení je založeno na aplikačním zapojení obvodu TB6588FG, jehož srdce tvoří již zmíněný integrovaný obvod. Ten ke své činnosti potřebuje jen pár externích součástek a jsou k němu také připojeny zkratovací propojky pro nastavení konstant a funkcí pro řízení motoru.

Obvod se napájí ze stejnosměrného zdroje napětí 7 až 40V(použité napětí záleží na vlastnostech BLDC motoru). Ten v sobě integruje regulátor napětí na 5V, které je vyvedeno mimo pouzdro pro napájení externích součástek.

Odpory R10, R11, R12 jsou zapojeny ve spodní části 3fázového můstku a je na nich měřeno napětí, které se porovnává s referenčním. Při překročení referenčního napětí, tj. při překročení maximálního proudu se výstupní tranzistory vypnou. Součástkami C-Start, R-Start a C-SC se nastavují časové konstanty spouštěcích algoritmů. Jejich hodnoty jsou zjištěny experimentálně, a pro každý motor se mohou lišit. Odpory R4, R5, R6, R7, R8 tvoří rezistorovou síť, pomocí níž se měří zpětně indukované napětí (back-EMF).

Obr. 4 - DPS statické části

Schéma zapojení a jednostranná DPS je navržena v programu EAGLE.

2.2 Rotující část – Schéma zapojení a DPS

Deska je napájena ze zdroje přibližně o napětí 12V, to je dále stabilizováno lineárním stabilizátorem na hodnotu 5V s výstupním proudem maximálně 1A.

Hlavní částí je 16 bitový DSP procesor (dsPIC30F6015). Ten se programuje a zároveň ladí prostřednictvím rozhraní ICSP (In Circuit Serial Programing). Jelikož se procesor programuje napětím o hodnotě 13V (pin číslo 1 na ICSP konektoru), je v obvodu zařazena Schottkyho dioda D4, která brání proniknutí tohoto vyššího napětí do 5 voltové napájecí sítě. Odpor R5 a kondenzátor C18 nacházející se za touto diodou slouží pro korektní reset procesoru po zapnutí napájení. Procesor je taktován krystalem o kmitočtu 7,372MHz, a ten se pak dále v procesoru násobí pomocí fázového závěsu (PLL) na frekvenci 117,952MHz.

V zapojení jsou využity dvě komunikační sběrnice, a to SPI a IIC. Pomocí sběrnice IIC jsou připojeny hodiny reálného (RTC) a paměť EEPROM. Druhá sběrnice je využita pro komunikaci s integrovanými obvody na buzení LED. Komunikace je pouze jednosměrná, takže jsou využity jen signály MOSI (Master Out Slave Input) a SCK (hodiny).

K hodinám reálného času je připojen krystal s frekvencí 32,768kHz a 3V Lion baterie pro zálohování vnitřních obvodů generujících čas při výpadku napájení.

V zapojení se nachází infrasenzor s integrovaným demodulátorem signálu na frekvenci 36kHz, který je připojen k přerušovacímu portu procesoru a slouží pro příjem kódu RC5 s infračerveného dálkového ovladače. Dále je zde optická reflexní závora, která je rovněž připojena k přerušovacímu vstupu, a slouží pro měření rychlosti otáčení.

Schéma zapojení a oboustranná DPS je rovněž navržena v programu EAGLE.

Přenos napětí ze statické části na rotující je zajištěn pomocí dvou uhlíkových kartáčků. Jeden dosedá na rotující část BLDC motoru a přenáší se přes něj signál GND. Druhý dosedá na hliníkové kolečko, které je připevněno na spodní straně desky plošných spojů (rotující části). Přes tento spoj se přenáší plusový signál (12V).

3. Softwarový návrh

3.1 Vývojové prostředí

Program pro mikroprocesor dsPIC30F6015 je napsán v jazyce C v prostředí MPLAB v8.30. Abychom mohli psát program v „Céčku“, je nutné do prostředí přidat potřebné kompilátory C30, které jsou určeny pro řadu dsPIC30, dsPIC33 a PIC24. Tento kompilátor na rozdíl od assembleru velice usnadní práci při psaní programu a umožní využívat výhody jazyka C.

Prostředí umožňuje připojit programátor/debugger PICkit 2, nicméně debuggování je kvůli pohybu rotující části, kde je i procesor, znemožněno.

3.2 Algoritmus a popis programu

Hlavní tělo programu se opakuje v nekonečné smyčce. Postupně si zde uvedeme popis jednotlivých funkcí.

• HardwareSetup() – Funkce v sobě zahrnuje inicializaci I/O bran, I2C sběrnice na frekvenci 100 kHz, SPI sběrnice na frekvenci 10 MHz, generátoru PWM, nastavení potřebných čítačů/časovačů. Dále se zde inicializují všechny externí periferie jako například komunikace s LED drivery, hodinami reálného času a EEPROM paměti, komunikace a dekódování RC-5 kódu.
• CommonTask() – Tato funkce obsahuje důležité funkce pro přednostní zpracování mikroprocesorem. Obsahuje tedy funkce Matematické operace z obrázku 0. Jednotlivé funkce obsažené v této funkci budou podrobněji popsány.
• RTC_cas() – Funkce pro načtení aktuálního času z obvodu hodin reálného času prostřednictvím sběrnice I2C. Čas je převeden a uložen ve formátu string ve tvaru hh:mm:ss, což nám usnadňuje pozdější zobrazení na displeji.
• RTC_datum() - Funkce pro načtení aktuálního data z obvodu hodin reálného času prostřednictvím sběrnice I2C. Datum je uložen ve formátu string ve tvaru dd.mm.rrrr, což nám usnadňuje pozdější zobrazení na displeji.
• EEPROM() – Funkce pro čtení uživatelských dat (obrázky a animace) z paměti EEPROM prostřednictvím sběrnice I2C. Data jsou načítána vždy po blocích o velikosti 512 B a uložena do datové paměti DSP procesoru. Doba komunikace pro načtení 512 B dat do DSP trvá velmi dlouho dobu (až 70 ms) což znamená nutnost komunikace s periferií na pozadí ostatních úloh.

Předchozí tři uvedené funkce pracující na sběrnici I2C musí pracovat na pozadí ostatních funkcí. V programu to vypadá tak, že v těchto funkcích je na pozici čekání na přijatý Byte vnořena funkce CommonTask(), která cyklicky během doby, než se příjme Byte ze sběrnice, obsluhuje (cyklickým dotazováním) prioritně důležitější funkce.

• MereniOtacek() – Prioritně nízká funkce převádějící číselnou hodnotu otáček do formátu string ve tvaru např. „1260 rpm“ nebo „21 Hz“. Funkce je zde jako demonstrační ukázka pro umístění funkcí, které nejsou časově kritické na výpočet.
• IdleTask() – Funkce se provádí pouze v případě, kdy se LED displej neotáčí. Je zde možno umístit funkce, které se mají v této době vykonat. Nachází se zde funkce pro blikání červené LED diody signalizující přítomnost napájení a připravenost displeje k činnosti. Dále je zde nezbytné umístit funkci TimestampTask(), která je popsána níže.
• TimestampTask() – Funkce generující časové značky. Obsahuje časovač s periodou přetečení 1 ms. Z této hodnoty jsou pak odvozeny všechny časové značky v rozsahu 2 ms až 20 s. Tyto se pak používají pro všechny sekvenční děje v programu od blikání diody s frekvencí 1 Hz až po rychlost posunu rolujícího textu s rychlostí posunu 20Hz.
• LedTask() – Nejdůležitější funkce ze všech uvedených. Na základě jednoho z pěti režimů zobrazení provádí matematické operace tak, aby byla připravena data pro výpis na LED displej.
• RC5Task() – Funkce pro dekódování povelů z dálkového ovladače. Signál přicházející z infrapřijímače do DSP procesoru je „zakódován“ v Manchester modulaci. Technikou dekódování je měření času mezi dvěma sestupnými hranami (měření šířky pulzu). Přijatý povel z dálkového ovladače pak dále ovlivňuje mód zobrazení displeje (viz LedTask).
• DemoTask() – Demonstrační ukázka funkčnosti celého displeje a jeho jednotlivých módů zobrazení.

3.4 Struktura programu a režimy zobrazení

Celý program je z důvodu přehlednosti rozčleněn do několika souborů s příponou *.c a *.h. Základní dělení je provedeno na složku libraries, kde jsou obsaženy univerzální funkce pro řízení dsPIC modulů (čítač/časovač, záchytný systém, SPI, atd.) a na složku peripherals obsahující funkce, které tyto moduly užívají a rozšiřují o speciální funkce dle dané periferie (I2C – eeprom, rtc, …).

Displej umožňuje několik režimů zobrazení. Zde je jejich krátký popis:

• IDLE – v tomto režimu LED displej nerotuje. Na displeji bliká pouze červená LED dioda signalizující přítomnost napájecího napětí. Z tohoto stavu se displej dostává automaticky po roztočení.
• CLOCK – zobrazení analogových hodin na displeji. Zobrazení minutové, hodinové ručičky a ciferníku je klasické, ukazatel sekund je vytvořen postupným rozsvěcováním červené diody v kruhu na obvodu displeje.

• TEXT – zobrazení statického textu. Ten se vypisuje buď ve spodní, nebo horní části displeje a jeho zobrazení je symetrické vůči vertikální ose displeje. Délka textu je omezena počtem kroků a poloměrem displeje

• MOVING_TEXT – zobrazení pohybujícího se textu. Text ve formě string se postupně zprava doleva posunuje po displeji rychlostí 40 ms/krok. Délka textu je prakticky omezena pouze velikostí paměti pro data v mikroprocesoru, kde je text uložen v podobě stringu.

• IMAGE – zobrazení obrázku na displeji. Obrázek je prozatím uložen v datové paměti mikroprocesoru v podobě pole hodnot o celkové velikosti  512 B. Data jsou ve skupinách po 4 Bytech v každém ze 120 kroků posílána na LED displej. Zbývajících 32 B je využito pro informace o obrázku.

• ANIMATION – Zobrazení animace na displeji. Použití této funkce je ve stádiu implementace. Funkce bude podobná jak u režimu IMAGE s tím, že snímky budou obsahovat své pořadové číslo a budou uloženy na externí EEPROM I2C paměti, která umožní animaci o délce až 255 obrázků. Mikroprocesor pak bude postupně data z EEPROM stahovat a zobrazovat na displeji.

4. Foto

Na závěr pár fotek celého zařízení a video z kanálu Youtube.

5. Závěr

Rotující displej je zajímavé zařízení využívající nedokonalosti lidského oka. Pomocí „pouhých“ 32 rotujících LED diod jsme dokázali vytvořit displej o 7680 zobrazovacích bodech. Displej byl odzkoušen na frekvenci 80 Hz a 240 polohách ramene, což je jeho maximum, kdy doba výpisu jednoho pásu LED diod trvá jen 52 µs. Při této frekvenci rotace je již obraz na displeji velmi stabilní a ani lidské oko nepozná, že obraz je vytvářen rotací LED diod.

V některém z dalších článků Vám představíme druhou verzi Rotačních hodin (Propeller clock V2), které budou vybaveny větším počtem LED diod a dalšími vylepšeními.

Po registraci a přihlášení na našem webu Vám budou na tomto místě k dispozici soubory ke stažení, kde naleznete obě navrhnuté desky plošných spojů pro program EAGLE a celý projekt pro MPLAB se všemi zdrojovými kódy.

  PropellerClock_V1 (1,4 MiB, 276 hits)