Технические науки. Электротехника и радиоэлектроника

Данибекова Е.Ж.Сичкаренко А.В.

Карагандинский Государственный Технический Университет, Казахстан

Разработка программно-аппаратного комплекса «Светодиодный куб»

Значительные успехи, достигнутые в области вычислительной техники и разрабатываемых на ее основе цифровых аппаратурных комплексов, стимулировали широкий фронт работ по созданию электронных индикаторных устройств и систем.

Высокие технические характеристики полупроводниковых индикаторов (ППИ) обеспечили их успешное внедрение в качестве элементов индикации в аппаратуре.

Одним из достоинств полупроводниковой технологии индикаторов является возможность их конструктивного исполнения в виде унифицированных модулей. Кроме того, модульность исполнения индикаторов гарантирует высокую ремонтопригодность устройств отображения информации.

Другим не менее важным достоинством ППИ является совместимость уровней их управляющих напряжений и потребляемых токов с напряжениями логических уровней и токами микропроцессорной техники.

Это позволяет значительно сократить объемы схем управления элементами индикации и повысить надежность индикаторных устройств и систем за счет использования элементной базы, выполненной только по полупроводниковой технологии. [1]

На основе анализа существующих типов систем управления элементами индикации был разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК) «Светодиодный куб» размером 4х4х4. Куб состоит из четырех слоев, в каждом из которых по 16 светодиодов. Управление осуществлялось 20 сигналами, 16 из которых определяли конкретный светодиод в слое, а 4 сигнала использовались для выбора слоя. В качестве управляющей платы использовалась плата EasyPIC7 фирмы «MikroElektronika».

Работа с данным кубом имела свои недостатки: большое количество входных сигналов, невозможность создания сложного светового эффекта, а также буквенного светового эффекта. Поэтому было принято решение увеличить размеры светодиодного куба до 8х8х8. Данный ПАК собран на основе микросхем 74HC595.

Микросхема 74HC595 содержит 8 битный регистр хранения и 8 битный сдвиговый регистр. Данные последовательно передаются в сдвиговый регистр, затем фиксируются в регистре хранения. К регистру хранения подключены 8 выходных линий. На рисунке ниже показано расположение выводов микросхемы 74HC595.[2]

Рисунок 1 - УГО микросхемы 74HC595

Q0…Q7 – управляемые выходы;

GND – земля;

Q7′ – выход, предназначенный для последовательного соединения регистров;

MR – сброс регистра;

SH_CP – вход для тактовых импульсов;

ST_CP – вход «защёлкивающий» данные;

OE – вход переводящий выходы из HI-Z в рабочее состояние;

DS – вход данных;

VCC – питание 5 вольт.

Для управления вполне достаточно всего лишь трёх  выводов, а именно: SH_CP, ST_CP, DS. [3]

Вывод 14 (DS) это вывод данных. В некоторых описаниях он обозначается как «SER».Когда уровень на выводе 11 (SH_CP, иногда обозначается как SRCLK) переходит из низкого в высокий, значение на выводе DS сохраняется в сдвиговом регистре, при этом данные сдвигаются на один разряд, чтобы предоставить место для нового бита.Пока на выводе 12 (ST_CP, иногда обозначается как RCLK) низкий уровень, данные записываются в регистр сдвига. Когда уровень переходит в высокий, данные из сдвигового регистра фиксируются в регистре хранения, из которого поступают на выводы Q0…Q7. [2]

На представленной ниже временная диаграмме, показано, каким образом можно установить на выходах Q0…Q7 микросхемы значение 11000011, учитывая, что изначально там было значение 00000000.

Рисунок 2 - Временная диаграмма микросхемы 74HC595

Использование данной микросхемы позволяет сократить число управляющих входов до трех. Микросхемы соединяются последовательно, сигнал с выхода микросхемы Q7′  поступает на вход данных DS следующей микросхемы. Таким образом последовательно заполняются 8 бит, определяющих слой и 64 бита, определяющих конкретный светодиод.

На рисунке 3 представлена функциональная схема ПАК.

Рисунок 3 – Функциональная схема ПАК

Программную часть можно представить последовательностью действий:

- объемная фигура разбивается на составляющие: 8 слоев и 64 точки;

- создается массив чисел;

- преобразованный массив передаётся по RS-232из PC в EasyPIC;

- подпрограмма «Индикация» за 72 такта заполняет регистры, после чего командой ST_CP выводит первый из восьми слоёв отображаемой фигуры;

- переключение между слоями происходит через каждые 5мс, таким образом создаётся трёхмерная статическая фигура.

Программно-аппаратный комплекс разработан с целью ознакомления и получения практических навыков работы с реальными объектами управления, получения опыта в программировании. Он будет использоваться при изучении дисциплин «МПК в СУ» и «ПОМПС» студентами специальностей «Автоматизация и управление» и «Электроэнергетика». Полученные теоретические и экспериментальные знания в области программирования в перспективе могут быть использованы для выполнения более сложных проектов в индустриальной сфере страны.

Литература:

1. ВасеринН.Н, ДадеркоН.К., ПрокофьевГ.А.. -Применениеполупроводниковых индикаторов. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. – 168 с.

2. http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=65110

3. http://avrdevices.ru/sdvigovy-registr-74hc595/