FREESCALE TECHNOLOGY APPLICATION 2013-2014 3D LED Cube Jméno: Libor Odstrčil Ročník: 4. Obor: IT
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 2 1 Konstrukce Obr. 1.: Výsledná LED kostka. Kostka je sestavena z 512 modře svíticích LED diod. Protože není možné ovládat současně všech 512 LED diod a navíc by to vyžadovalo velký proud, využilo se nedokonalosti oka. To spočívá v tom, že v jednu chvíli může být rozsvíceno pouze jedno patro a pomocí 8 tranzistorů si vybírám patro. Pokud tohle aplikuje v cyklu, vznikne dojem, že všechny LED diody svítí. Jak bylo zmíněno, tak jednotlivá patra jsou vybírána pomocí unipolárních tranzistorů s N přechodem. Tyto tranzistory uzemňují dané patro, tudíž všechny LED diody v daném patře mají společnou zem. Napětí na LED diody je přiváděno ve sloupcích, čímž pro určité uzemněné patro se rozsvítí příslušná LED dioda. Pro zapínání napětí na příslušné sloupce jsou použity posuvné registry. Celkem jich je 8 s 8 výstupy, to činí 64 sloupců. Jedna řada je ovládána jedním posuvným registrem. Vstupy registrů jsou přivedeny na jeden port mikropočítače. Proto stačí vždy na daný port vložit jeden byte, kde bity signalizují určitý sloupec a vyslat signál na posunutí bitů v registru. Pokud se toto zopakuje 8 krát, tak se nám v právě uzemněném patře rozsvítí LED diody ve sloupcích, které odpovídají poslaným bitům. Celá konstrukce kostky je umístěna na dřevěném podstavci, v němž je umístěna řídící deska s veškerými součástkami. Deska je dvouvrstvá a všechny součástky jsou umístěny v horní vrstvě, aby nedošlo k poškození. Deska je upevněna pomocí šroubků a je připevněna na dilatační sloupky. Na zadní straně podstavce je umístěn konektor na napájení, tlačítko na zapnutí, konektor pro sériovou komunikaci a tlačítko.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 3 Obr. 2.: Konektory pro zapojení do řídicí desky. 2 Hardware Obr. 3.: Výsledná osazená řídicí deska.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 4 2.1 Mikropočítač Celá kostka je řízena mikropočítačem MC9S08JM60 od firmy Freescale. Tento 8 bitový mikropočítač se vyznačuje následujícími parametry, které byly rozhodující pro volbu: - 60 KB FLASH paměť - 4 KB RAM - Rozhraní USB 2.0 - Dvojité rozhraní SCI - 64 pinů Mikropočítač je nastaven na provozní frekvenci 16 MHz. Pro naprogramování byl vyroben vlastní programátor USBDM s mikropočítačem MC9S08JS16. Obr. 4.: USBDM programátor. Obr. 5.: Schéma zapojení mikropočítače.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 5 2.2 Posuvné registry Jedny z nejdůležitějších součástek. Díky nim se zapínají LED diody v právě uzemněném patře. Bylo použito celkem 8 posuvných registrů 74HC164. Jeden registr symbolizuje jednu řadu v kostce. Každý posuvný registr má jeden vstup, 8 výstupů, pin na vyčištění registru a pin na posunutí. Abychom zobrazili jedno patro efektu, musíme 8 vyslat příslušný impuls na vstupní pin a na pin pro posunutí. Protože jsme omezeni u jednoho posuvného registru na 50mA, připadne na jednu LED diodu pouze 6,25mA. Výstupy z registru jsou přes odpory vyvedeny na konektory, na které jsou připojeny vícežilové konektory, jejichž druhý konec je připojen na jeden sloupec kostky. Obr. 6.: Schéma zapojení posuvných registrů. 2.3 Tranzistory Pro uzemnění určitého patra kostky byly použity unipolární tranzistory s N kanálem, které jsou spínané mikropočítačem a tím otevírají přechod mezi daným patrem a GND. Celkem je jich použito 8. Obr. 7.: Schéma zapojení tranzistorů.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 6 2.4 Napájení Celá kostka je napájená adaptérem o napětí 9V. Toto vstupní napětí následně pomocí lineárního regulátoru LM2940CT-5 sníženo na 5V, s kterým pracují všechny součástky na desce. Obr. 8.: Schéma zapojení napájení. 3 Komunikace Mikropočítač disponuje dvěma rozhraními SCI, přičemž jsou využity obě. Obr. 9.: Schéma zapojení sériové komunikace.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 7 3.1 RS232 Byl použit integrovaný obvod MAX232CWE, na který je vyvedeno první rozhraní SCI. Stav komunikace je signalizován pomocí dvou LED diod. Výstup z integrovaného obvodu je vyveden spolu s napětím 5V a GND na piny. Piny jsou přes kablík spojeny s konektorem CAN 9, který je umístěn na zadní straně podstavce kostky. Poté stačí propojit sériovým kabelem s PC nebo notebookem. 3.2 Bluetooth Druhé SCI rozhraní je vyvedeno společně s napětím 5V a GND na piny, zde je připojen Bluetooth modul. Díky tomuto je možné případné nastavení provádět bezdrátově, např. z mobilního telefonu. Obr. 10.: Bluetooth modul. 4 Ovládání Ovládání je řešeno jednoduše. Na zadní straně podstavce se nachází tlačítko pro zapnutí celé kostky. Po zapnutí se kostka nachází v režimu postupného přehrávání nahraných efektů. Pro případ, že budeme chtít nastavení kostky pozměnit, slouží konektor CAN 9 pro sériový kabel. Pokud se tímto způsobem připojíme ke kostce, bude nám po stisku klávesy M nabídnuto menu podle aktuálního režimu. Režimů je celkem 5: - Postupné přehrávání postupné přehrávání všech efektů - Náhodné přehrávání náhodně se vygeneruje další efekt - Pouze jeden efekt kostka zobrazuje stejný efekt, dokud uživatel nebude chtít přejít na další stiskem tlačítka - Vlastní volba zobrazí se seznam všech efektů, postupným zadáváním efektů si můžeme nadefinovat, jaké efekty a v jakém pořadí budou přehrány - Text je možné zadat libovolný text o délce 50 znaků, výjimku tvoří písmena s diakritikou a čísla, po potvrzení klávesou ENTER, začne kostka zobrazovat daný text po písmenkách, které se budou v kostce pohybovat odzadu dopředu.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 8 Obr. 11.: Výpis sériové komunikace. Doplňující možnost v menu je, že uživatel může měnit rychlosti zobrazování efektů. Pro přeskočení efektu na další v pořadí slouží tlačítko, umístěné taktéž na zadní straně podstavce. Obr. 12.: Zadní strana podstavce. 5 Efekty V kostce je možné zobrazit cokoliv. Omezením je pouze to, že je potřeba vymyslet, jak daný efekt napsat. Pro ukázku bylo zatím vytvořeno několik efektů, ukazující funkci kostky. Kromě těchto efektů, umí kostka také zobrazovat text bez diakritiky a čísel. Seznam efektů: - Kostra kostky - Kostra kostky, která se zmenšuje a zvětšuje z určitého rohu - Jednoduchá sinusovka - Dvě sinusovka vedle sebe posunuty o půl periody - Dvě sinusovky sloučené do sebe a posunuty o půl periody - Čtyři sinusovky - Mořská vlna
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky 9 - Generovaný ohňostroj - Generovaný déšť - Pohybující se šipka - Pohybující se koule - Přechod zespodu nahoru - Přechod zespodu nahoru a zpět - Vyplnění kostky - Celá kostka