20. Индикатор уровня на RGB-5050 c WS2811 (WS2812)

[VVZ]

Краткое содержание темы :

1. Вступительная часть.
2. Схема.
3. Вариант сборки.
4. Порядок сборки.
5. Задания по теме.
6. Протокол управления RGB светодиодами (по описанию мс WS2811 + см. пункт 11 темы).
7. Формирование кода “0” и “1” в схеме.
8. Временные диаграммы счётчиков и сигнал сброса.
9. ЦАП на сопротивлениях и аналоговый компаратор.
10. Микрофонный усилитель и выпрямитель.
11. Установка на макетке одиночных светодиодов WS2812S.

1. Вступительная часть :

Отличие этого индикатора уровня от других в том, что для индикации используется лента с RGB светодиодами (тип 5050), в которые встроены чипы WS2811. У этой ленты только три провода, два из которых это питание – GND и VCC (+5v). Управляющий сигнал на все светодиоды передаётся по одному проводу. На этой ленте обычно собираются современные видеоэкраны.

Аналоговая часть схемы повторяется из темы "Индикатор уровня на мс 74HC595". Цифровая схема управления собирается также на логических элементах - микросхемы К555ИЕ19 (SN74LS393), К155ИЕ4 (SN7492), К155ЛА3 (SN7400) и К155ЛЕ1 (SN7402). В данном варианте индикатора 16 уровней (16 светодиодов).

Но эти ленты обычно продаются в катушках, в которых 300 светодиодов. А это значит, что можно увеличивать и количество уровней или количество светодиодов в одном уровне. Но для этого придётся дорабатывать схему. На следующем видео показан вариант из 16-ти уровней по четыре светодиода в каждом с тремя повторами (использован остаток ленты 16x4x3=192 из 300):

[VVZ]

2. Схема :

Этот вариант схемы минимизирован по отношению к заявленному ранее на видео (убрана мс К155ЛА3). При этом наборе микросхем не все цвета можно выбрать для светодиодов индикации (по схеме определён белый) и есть некоторое упрощение по отношению к протоколу мс WS2811. Дальнейшее совершенствование схемы индикатора является самостоятельной работой по схемотехнике (см. пункт 5 темы).



R1, R3, R4, R9, R12, R17 – 10 кОм, R5* – 1 мОм, R6, R10, R11- 100 Ом; R7*, R8* – 4.7 кОм, R2, R16 – 1 кОм, R15- 2 кОм; R14- 3,9 кОм; R13- 8.2 кОм; C1 – 0.47 мкФ, C2, C3 – 10.0 мкФ, C4 – 200.0 мкФ, C5 – 470 пФ, C6 – 470.0 мкФ, D1 – LM358; D2 – К155ЛЕ1 (SN7402), D3 – К555ИЕ19 (SN74LS393), D4 – К155ИЕ4 (SN7492).

3. Вариант сборки :



На макетке нет светодиода генератора VD3, конденсатора C6 и кнопки KN1 (они необходимы только в момент работы со схемой на низкой частоте).

[VVZ]

4. Порядок сборки.

Вначале собирается цифровая часть индикатора (4-1, генератор и два счётчика), а после её проверки – аналоговая (4-2; микрофонный усилитель, выпрямитель, компаратор и ЦАП).

4-1. Простой "осциллограф".



При нажатии на кнопку KN2 все светодиоды индикатора должны включаться, при отсутствия – светодиоды не светятся.
Чтобы на светодиодах ленты можно было увидеть инверсные состояния счётчиков, необходимо выводы 13, 11, 10, 9 мс D3 подключать (по отдельности) к катоду диода VD7.

4-2. Индикатор уровня.



!!! Плюс питания мс D1 (вывод 8) надо подключать после сопротивления R6 к VCA, а не к VCC !!!

5. Задания по теме :

Задания 1-4 выполняются без добавления микросхем к существующей схеме.

1. Сейчас при отсутствии звукового сигнала светодиоды не светятся, а при его появлении, включённые светодиоды показывают его уровень. Теперь необходимо сделать наоборот, чтобы при отсутствии звука все светодиоды уже светились, а при появлении звука, его уровень показывали не светящиеся светодиоды.
2. Сейчас уровень звука светодиодами показывается белым цветом. Сделать так, чтобы уровень звука показывался другим цветом.
3. Сейчас схема позволяет подключить 16-ть светодиодов из ленты. Внесите изменения в схему, не добавляя логических микросхем (высвобождать логические элементы микросхем можно), чтобы можно было подключить 32-а светодиода.
4. Смотрите окончание 8-го раздела темы - "8. Временные диаграммы счётчиков и сигнал сброса".

[VVZ]

6. Протокол управления RGB светодиодами (микросхемы WS2811).

High Speed - при 800 KHz,
Low Speed - при 400 KHz :



! В лентах, которые мы используем, порядок цветности в последовательном коде отличается : в ленте G-R-B.

[b]При 400 кГц :

1. Время длительности бита информации (период) составляет 2.5 мкс.
2. Кодированный “0” - это 0.5 мкс высокий уровень (T0H) +2.0 мкс низкий уровень напряжения (T0L).
3. Кодированная “1” - это 1.2 мкс высокий уровень (T1H) + 1.3 мкс низкий уровень напряжения (T1L).
4. Длительность посылки для одного RGB светодиода (3 цвета по 8 бит) – 3x8x2.5 = 60 мкс.
5. Длительность посылки для 16-ти RGB светодиодов – 16x60 = 960 мкс.
6. Сигнал сброса – пауза между посылками длительностью не менее 50 мкс (не зависит от скорости передачи).

При 800 кГц – половина от указанных величин (кроме п. 6).

WS2811.zip

Описание WS2811

(282.49 KiB) Скачиваний: 1438

[VVZ]

7. Формирование кода “0” и “1” в схеме.

По схеме два разряда двоичного счётчика (выводы 3, 4 мс D3, на диаграмме поз. 1, 2) подключены к логическому элементу 2ИЛИ-НЕ (выводы 3, 2 мс D2), при этом, к входу 3 мс D2 подключена кнопка KN2. Этот узел отвечает за форму отсылаемого по последовательному каналу кода. Состояние входа 3 мс D2 (то есть, по схеме кнопки) определяет, что будет передаваться в линию (с вывода 1 мс D2), код “0” или “1”.



Код “1” - Кнопка KN2 – нажата, следовательно на входе 3 мс D2 будет – логический ноль. Значит, на выводе 1 мс D2 будет присутствовать инверсное состояние второго разряда счётчика и сигнал на диаграмме 3 по своей форме соответствует коду “1”. И если длительность периода тактового генератора будет около 0.5 мкс, то соответственно период Т кода на выводе 1 мс D2 будет около 2.0 мкс, где 1.0 мкс будет длиться высокий уровень напряжения и 1.0 мкс - низкий.

Код “0” - Кнопка KN2 – не нажата, следовательно на входе 3 мс D2 будет состояние первого разряда счётчика (диаграмма 1). Два сигнала на входах 3, 2 мс D2 (диаграммы 1 и 2) в результате логической операции дают результат на выходе 1 мс D2 (диаграмма 4) соответствующий передаче кода “0” (соответственно за период T - 0.5 мкс будет длиться высокий уровень напряжения, а 1.5 мкс - низкий).

Временные параметры кода “0” и “1” несколько отличаются от указанных в описании на WS2811, но схема оказалась вполне работоспособной. Также важно отметить, что индикатор уровня работает при периоде тактового генератора в диапазоне 0.3-0.5 мкс. А это значит, что тактовый генератор должен обеспечивать не фиксированную частоту 400 кГц или 800 кГц, а может работать в диапазоне частот 400-800 кГц, что резко снижает требования к его параметрам (при этом полнота использования диапазона во многом зависит от схемы формирования кода).

[VVZ]

8. Временные диаграммы счётчиков и сигнал сброса.

На двух элементах мс D2 собран тактовый генератор. Его выход (вывод 13 мс D2) подключён к входу первого счётчика (вывод 1 мс D3). Так как все входа R (сброс = установка в ноль) счётчиков подключены к земле (GND), то счётчики (мс D3, D4) просто последовательно делят частоту тактового генератора.



Микросхема К55ИЕ19 (D3) содержит в себе два двоичных счётчика (делители на 16, эту микросхему можно заменить двумя счётчиками К155ИЕ5). И каждый её разряд – делит предыдущую частоту на два (диаграммы - первый 1-2, 5-6; второй – 11-14).

Микросхема К155ИЕ4 (D4) - счётчик-делитель на 12. Первый её разряд – делит предыдущую частоту на два (диаграмма 7), второй и третий вместе - получается делитель на три (диаграммы 8-9), четвёртый – делит на два (диаграмма10); в итоге выходит 2x(3x2)=12).



В итоге у счётчиков выходит 12 разрядов. Они последовательно распределяются на группы 2+3+2+4+1=12. Первые два отвечают за формирование кода (2, см. пункт 7 этой темы), остальные (последовательно) - за яркость цвета (3), выбор цвета (2), количество светодиодов в индикаторе (4) и сброс (1).

Яркость и цвет (3+2р). Код посылки одного RGB светодиода содержит 24 бита (по 8 бит на каждый цвет – 8x3=24, интервалы времени 1-2 и 2-3), за которые отвечают пять разрядов счётчиков (3+2). Яркость задаётся байтом, значит 8 бит и поэтому три разряда. Два следующих разряда, образующих делитель на три, отвечают за цвет (диаграммы 8-9). Делитель на три, так как в каждом светодиоде три основных цвета (R, G и В). Итого, последовательно передаются три байта, в каждом задаётся яркость своего цвета. На следующем изображении ужатое во времени продолжение первого :



Количество светодиодов в индикаторе (4р). Следующие четыре разряда определяют количество светодиодов в индикаторе (диаграммы 10-13). Здесь их 16, значит, нужно 4 разряда. За время периода диаграммы 13 (вывод 9 мс D3) последовательно передаётся информация о состоянии всех 16-ти светодиодах (в этой схеме один светодиод = одному уровню).

Сигнал сброса (1р). На последнем разряде счётчика мс D3 (вывод 8) формируется сигнал сброса, по паспорту его низкий уровень должен длиться более 50 мкс. Но в этой схеме длительность сброса значительно больше (сделано из-за упрощения схемы). Он длится половину периода при низком уровне с вывода 8 мс D3, во время второй половины периода (высокого уровня) передаётся код состояния светодиодов. Если считать время при частоте 400 кГц, то один бит передаётся за 2.5 мкс, значит, длительность сброса будет около 1 мс (2.5x24x16, пол периода на диаграмме 14). В данном схемном решении длительность сброса меньше 0.8 мс, так как частота тактового генератора выше 500 кГц.

Сигналы кода (вывод 1 мс D2, диаграмма 4) и сброса (вывод 3 мс D8, диаграмма 14) объединены по схеме 2И с помощью диодов VD4, VD5. Результирующий выходной сигнал показан на диаграмме 15 (сигнал DIN).

Диаграмма 16 соответствует содержанию пункта 4 самостоятельной работы (5-ый раздел темы). Как видно из диаграммы 16, здесь задача заключается в сокращении времени сигнала сброса. Также для нового варианта работы сброса (по диаграмме 16) необходимо правильно показать состояния выводов мс D3 (диаграммы 11-14)

[VVZ]

9. ЦАП на сопротивлениях и аналоговый компаратор.



По схеме, разряды счётчиков, к которым подключены сопротивления R13-R16 (диаграммы 10-13), отвечают за количество светодиодов (уровней) в индикаторе. Цифровой код с этих четырёх выходов преобразуется в сигнал пилообразной формы (диаграмма 17). Начало “пилы” (минимальный уровень напряжения) соответствует коду “0000” или интервалу времени посылки информации о первом светодиоде, а окончание “пилы” (максимальный уровень напряжения) соответствует коду “1111” или интервалу времени посылки информации о шестнадцатом светодиоде.
Сигнал пилообразной формы с выхода цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и после резистивного делителя (R7, R9) поступает на вход “+” мс D1 (вывод 5) и сравнивается с сигналом на входе “-” мс D1 (на вывод 6 поступает усиленный и выпрямленный сигнал с микрофона). Результат сравнения снимается с его вывода 7 (уровень нуля или единицы). Второй элемент мс D1 (выводы 5-7) в схеме выполняет роль аналогового компаратора, у которого :

Если U6 > U5 то U7=0
Если U6 < U5 то U7=1



Так как индикатор должен работать во всём диапазоне уровней (от первого до последнего светодиода), то максимальный уровень напряжения "пилы" на выводе 5 должен быть равен максимальному уровню напряжения на входе 6, то есть, соответствовать максимальному уровню звука (подбор выполняется сопротивлением R7) усиленного и выпрямленного после микрофона.

Например : на диаграмме 18 показан постоянный уровень напряжения. Стрелкой на позициях 2, 4 показаны места на диаграмме 17, когда величины напряжений на диаграммах 17 и 18 становятся одинаковыми, то есть, на выводах 5, 6 мс D1 величины напряжений становятся равными.

До поз.4 было : U6>U5, значит, на выводе 7 присутствовал “0” (см. диаграмму 19), что соответствует передаче кода 1 (диаграмма 20, см. пункт 7 темы), то есть, светодиоды будут светиться (в интервале поз. 3-4).

После поз.4 будет : U6<U5, значит, на выводе 7 установится “1”, что соответствует передаче кода 0, то есть, светодиоды светиться не будут (в интервале поз. 4-5).

Если уровень напряжения на диаграмме 18 будет меняться (то есть, меняться уровень звука), то соответственно, будет меняться количество включаемых светодиодов.

Объясните, что происходит в интервале поз. 1-3 на диаграмме 20 ?

[VVZ]

10. Микрофонный усилитель и выпрямитель.

Звук в помещении с помощью микрофона преобразовывается в слабый электрический сигнал. Рабочий ток через микрофон задаёт сопротивление R1. Сигнал с микрофона через разделительный конденсатор C1 и сопротивление R2 поступает на инвертирующий вход ОУ (вывод 2, мс D1). Разделительный конденсатор C1 разделяет точки с разными потенциалами (выход микрофона и вход усилителя) не давая им смешиваться. Но зато конденсатор легко пропускает переменный ток, который и является полезным сигналом.

Коэффициент усиления сигнала определяется значениями сопротивлений R2, R5 по формуле: Ku=-R5/R2. Он показывает, во сколько раз напряжение выходного сигнала ОУ больше входного. Знак минус обозначает, что фаза выходного сигнала противоположна входному сигналу (т.е. усилитель инвертирующий). В данной схеме коэффициент усиления равен 1000. Это необходимо для значительного усиления слабого сигнала, который выдает микрофон.



Для нормальной работы ОУ при однополярном питании на его вход 3 подаётся постоянное напряжение равное половине питания (сопротивления R3 и R4 образуют делитель напряжения питания пополам). Сопротивление R6 и конденсатором C4 образуют фильтр, который подавляет помехи, приходящие по цепи питания VCC. Фильтр нужен для того, чтобы помехи не проникли на вход усилителя и не смешались с полезным сигналом микрофона.

Элементы C2, C3, VD1, VD2 образуют амплитудный детектор (выпрямитель), который преобразует переменное напряжение (с выхода 1 мс D1) в постоянное. Сопротивление R8 является нагрузкой амплитудного детектора. Оно нужно для того, чтобы при отсутствии полезного сигнала (переменного напряжения) на входе, конденсатор C3 мог разрядиться через сопротивление R8, и выходное напряжение амплитудного детектора также стало равно нулю. С амплитудного детектора усиленный и выпрямленный сигнал микрофона подается на вывод 6 компаратора и от его величины зависит количество включённых светодиодов.

[VVZ]

11. Установка на макетке одиночных светодиодов WS2812S.

На фотографии сборка из двух макеток - на одной макетке собранна схема управления, а на второй установлены шестнадцать одиночных светодиодов, напаянных на платы-переходники.



Светодиоды (по управлению) между собой соединены последовательно. Для уменьшения яркости светодиодов питание на выводы 5 каждого из светодиодов подаётся через сопротивления 100 Ом. Ввиду уменьшения яркости и соответственно токовой нагрузки у вывода 3 светодиодов на макетке не установлены сопротивления и конденсаторы (типовая схема включения светодиодов показана в конце описания этого сообщения).

Константин Никольский - “Голос” (фрагмент).

На следующем фото показана обычная макетная плата, из которой вырезаются платы для светодиодов. В правом верхнем углу очерчен фрагмент одной платы.



На упаковке светодиодов их тип обозначен как WS2812S. По описанию их временные параметры несколько отличаются от ранее указанных для WS2811 (пункт 6 этой темы). Они отличаются, но очень близки для частоты 800 кГц и всё работает ! Хотя на упаковках самих светодиодных лент написано WS2811, но возможно, что в них также используются светодиоды WS2812S.