Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2010 №1

Микроконтроллеры NEC Electronics семейства Ix2 для светодиодных систем освещения

Алимов Сергей


Тенденция замены ламп накаливания и люминесцентных ламп на светодиоды становится все более явной. Достаточно было взглянуть на экспонентов выставки «Интерсвет 2009» [1]. Практически каждая компания-производитель посчитала своим долгом представить светодиодный светильник, даже если основным направлением ее деятельности является производство светильников на основе традиционных ламп. Решения одних компаний представляют собой линейку белых светодиодов в корпусе светильника. Решения других — светильник или прожектор, построенный на базе кластеров цветных светодиодов RGB.

Отвечая на требования рынка светотехники, компания NEC Electronics разработала несколько специализированных микроконтроллеров, таких как 78F8024 и 78K0/Ix2. Они создавались с учетом специфики приложений систем светодиодного освещения [5] и балластов для флуоресцентных ламп [4]. В статье рассказывается о применении 8-разрядного микроконтроллера семейства 78K0/Ix2 (NEC Electronics) для построения 3-канального цветного светодиодного светильника или прожектора с возможностью регулировки яркости и цветности. В изделии также присутствуют необходимые ресурсы для реализации корректора коэффициента мощности. Таким образом, в микроконтроллере есть все необходимые специализированные блоки для создания законченного цветного светильника с корректором коэффициента мощности.

Семейство 78K0/Ix2

Семейство контроллеров 78K0/Ix2 насчитывает три варианта изделий. Они различаются между собой размером корпуса и, соответственно, функциональной насыщенностью периферийных устройств. На рис. 1 представлены варианты корпусов микроконтроллеров, а на рис. 2 показана внутренняя структура самого «большого» контроллера в корпусе SOIC-30. Как видно на рис. 2, контроллер представляет собой 8-разрядное вычислительное ядро с частотой 20 МГц. Следует отметить присутствие в микроконтроллере аппаратного умножителя 16.16, который позволяет значительно снизить нагрузку на контроллер при выполнении математических операций. Главной особенностью контроллера является наличие трех 16-разрядных ШИМ-таймеров, тактируемых частотой 40 МГц, и двух 8-разрядных ШИМ-таймеров.

Рис. 1. Внешний вид контроллеров семейства 78K0/Ix2

Рис. 2. Структура контроллера 78K0/Ix2 (30 выводов)

Рассмотрим, каким образом используются ресурсы контроллера для управления сверхъяркими светодиодами. Питание светодиодов осуществляется постоянным током. Стабилизатор тока строится на ШИМ-таймерах (TMXn; n = 0, 1) (рис. 3) и аналоговой периферии (компараторы или АЦП) контроллера. Такая организация позволяет отказаться от дополнительных микросхем драйверов — стабилизаторов тока. Может быть реализовано два варианта обратной связи по току:

  • с помощью компараторов;
  • с помощью 10-разрядного АЦП.

Регулировка яркости свечения светодиодов (димминг) может осуществляться от сигналов датчиков с помощью АЦП или по коммуникационным интерфейсам DALI или DMX512.

Существует три варианта управления яркостью свечения светодиодов:

  • постоянным напряжением, используя 10-разрядный АЦП;
  • по протоколу DMX512, используя UART (версия контроллера IA2 или IB2);
  • по протоколу DALI (версия контроллера IA2 или IB2).

Рис. 3. Схема управления светодиодами (обратная связь с компараторами)

Стабилизатор тока

Упрощенно схему импульсного стабилизатора можно представить так, как показано на рис. 4. Это классическая схема понижающего импульсного стабилизатора. Источником сигнала для стабилизатора тока является напряжение на токовом резисторе (Rs), который включен между нагрузкой (светодиодами) и общим проводом. На референсной плате [3] резистор Rs имеет номинал 4,7 Ом. Номинал резистора выбирают как можно меньше, чтобы не снижать КПД всей схемы, но в то же время достаточным для того, чтобы напряжения на нем хватало для устойчивой работы обратной связи (ОС).

Рис. 4. Схема импульсного стабилизатора

В микроконтроллере Ix2 реализовано ШИМуправление ключевым транзистором (рис. 5). Напряжение Vs на токовом резисторе Rs сравнивается с опорным напряжением. Если Vs уменьшается, то коэффициент заполнения ШИМ увеличивается, и наоборот. Таким образом поддерживается постоянный ток в нагрузке. Для сравнения опорного напряжения и напряжения на токовом резисторе можно применить один из двух способов: используя компараторы; используя АЦП.

Рис. 5. ШИМ-стабилизатор тока

Эти способы имеют определенные преимущества и недостатки.

    • В случае ОС на компараторах процессорное время используется только при поступлении прерывания от компаратора (рис. 6).

    Рис. 6. Принцип работы ОС с компараторами

    • В случае ОС на АЦП преобразованные значения напряжения на токовом резисторе обрабатываются немедленно. Это позволяет добиться меньших пульсаций тока в нагрузке (рис. 7, 9), но процессор задействован постоянно для управления ШИМ-таймерами всех каналов.

В микроконтроллерах Iх2 для ШИМ-управления силовыми транзисторами используются 16-разрядные ШИМ-таймеры X0 и X1. При работе таймеров на частоте 40 МГц с разрешением 8 бит (40 МГц/28) частота переключения составляет 156,25 кГц.

Стабилизация тока с использованием внутренних компараторов

Микроконтроллер имеет три встроенных компаратора с программируемым опорным напряжением. Таким образом, все три светодиодных канала могут управляться независимо. Как показано на рис. 6, принцип действия ОС с компараторами очень прост. При превышении порогового напряжения генерируется прерывание, и коэффициент заполнения ШИМ уменьшается. При уменьшении напряжения на токовом резисторе ниже порога генерируется прерывание, и коэффициент заполнения увеличивается. При начале работы контроллера коэффициент заполнения ШИМ устанавливается максимально возможным. Осциллограмма напряжения на токовом резисторе показана на рис. 7. Прямой ток через светодиоды равен 300 мА.

Рис. 7. Осциллограмма напряжения на токовом резисторе (ОС с компараторами)

Рис. 8. Принцип работы ОС с АЦП

Стабилизация тока с использованием встроенного АЦП

В контроллере Iх2 есть 9-канальный АЦП с 10-битным разрешением, поэтому стабилизация тока может выполняться независимо по каналам. Если установлено самое короткое время преобразования 3,3 мкс, то время реакции обратной связи будет 20 мкс по каждому каналу. Необходимая точность преобразования может быть задана программно. Принцип работы ОС с АЦП показан на рис. 8. Как видно на рис. 8, принцип стабилизации тока похож на пример с компараторами. Но использование АЦП позволяет добиться более стабильного значения и обеспечить меньшие пульсации и меньший бросок тока в момент запуска (рис. 9).

Рис. 9. Осциллограмма напряжения на токовом резисторе ОС с АЦП

Регулировка яркости свечения светодиодов (димминг)

На контроллере Ix2 возможна реализация димминга двумя способами: 1) по постоянному току; 2) с помощью ШИМ-регулирования.

Димминг по постоянному току

Регулировка яркости по постоянному току осуществляется методом изменения значения опорного напряжения на компараторах или с использованием нового опорного значения напряжения на АЦП. Используя ОС на компараторах, мы можем задать 32 значения тока через светодиоды. Опорное напряжение при этом будет от 0 до 1,6 В с шагом 0,05 В. В случае, если используется ОС на АЦП, мы можем менять яркость с 10-битной точностью, меняя значение напряжения сравнения.

ШИМ-димминг

Однако микроконтроллер Iх2 имеет функцию управления 16-разрядными таймерами X0 и X1 с помощью 8-разрядного таймера H1. Устанавливая опорное напряжение компараторов или АЦП на максимальном уровне, можно получить 255 уровней яркости светодиодов, используя сигналы 16-разрядных таймеров как опорные и модулируя их 8-разрядным таймером H1. Таким образом, получается, что на выходе таймера X0 и X1 есть сигнал только тогда, когда таймер H1 выдает высокий уровень. Графически это представлено на рис. 10.

Рис. 10. ШИМ-управление яркостью

Интерфейс пользователя

В микроконтроллере потенциально реализовано три способа управления яркостью светодиодов. Рассмотрим их по очереди.

Контроль яркости посредством АЦП

Микроконтроллер содержит в себе 9-канальный АЦП. За исключением каналов, используемых стабилизаторами тока, остальные могут быть задействованы для обработки сигналов внешних датчиков. Наиболее простой пример — регулировка яркости и/или цветности с помощью трех потенциометров, по одному на каждый канал. Потенциометр включается как регулируемый делитель напряжения между линией питания и общим проводом, а напряжение с подвижного контакта подается на АЦП. Таким образом, перемещая подвижный контакт, мы меняем напряжение на входе АЦП и по этому сигналу меняем яркость свечения.

Управление яркостью посредством протокола DMX512

Для дистанционной регулировки яркости или цвета светильника может использоваться стандартный протокол DMX512. Это промышленный стандарт, использующий RS485 для передачи данных. NEC Electronics предоставляет необходимые программные средства для реализации управления светильником посредством DMX512.

Управление яркостью с помощью протокола DALI

Протокол DALI — это открытый цифровой протокол управления множеством балластов и/или светодиодных светильников. Это промышленный стандарт в США и Европе. Одно ведущее устройство (мастер) может адресовать 64 независимых ведомых устройств. Поддерживается 255 градаций яркости или цветности по каждому каналу в RGB-устройствах. Обработка протокола в контроллере реализована аппаратно. Из внешних элементов требуется только гальваническая развязка контроллера и линии передачи данных (рис. 11).

Рис. 11. Схема цепи для приема данных по протоколу DALI

Помощь разработчику

Разработка светодиодного светильника «с нуля» на микроконтроллере достаточно длительный процесс. Понимая это, компания NEC Electronics предлагает полный спектр программных и аппаратных средств. Программное обеспечение для визуального программирования Aplilet 3.53 (рис. 12) бесплатно доступно на веб-сайте NEC или в офисах «ЭЛТЕХ». Aplilet дает возможность генерировать исполняемый код для микроконтроллера в автоматическом режиме. Также в автоматическом режиме генерируется обработчик протоколов DMX512 или DALI. Аппаратные средства разработки представляют собой отладочные комплекты (рис. 13).

Рис. 12. Окно программы Aplilet

Рис. 13. Отладочные комплекты

На них установлены все необходимые элементы для работы светильника, в том числе мощные светодиоды. В процессе отладки и настройки готового светильника большую помощь окажет программатор-отладчик MINICUBE2. Следует отметить, что MINICUBE2 может работать со всеми типами микроконтроллеров NEC Electronics. Таким образом, у разработчика есть возможность получить все необходимые средства для внедрения в производство светильника на микроконтроллере NEC Electronics 78K0/Iх2. Микроконтроллеры NEC Electronics позволяют быстро разработать и запустить в серию широкий спектр современных светильников от настольных ламп с регулируемой температурой цвета до мощных цветных прожекторов как на светодиодах, так и на газоразрядных лампах.

Литература

    1. http://www.interlight-moscow.com/files/documents/russian/il2009_list_of_exhibitors_ru.pdf

    2. http://eltech.spb.ru/pdf/almanah/alm_2009_3_9.pdf

    3. U19666EJ1V0AN00.pdf

    4. http://eltech.spb.ru/pdf/almanah/alm_2009_3_9.pdf

    5. http://eltech.spb.ru/pdf/almanah/alm_2009_3_9.pdf

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке