Sterownik LED na Z8 Encore! F0830

[borabora]

Przedstawiam projekt sterownika 9 LED, który służy do uzyskania różnych efektów świetlnych. Cechą szczególną jest możliwość ustalenia charakterystyki rozjaśniania i przygaszania diod zamiast prostego, zero-jedynkowego sterowania. Układ może być ciekawostką ze względu na zastosowany mikrokontroler firmy Zilog z serii Encore! i sposób sterowania diodami.

Ponieważ raczej mało kto w ogóle słyszał o tego typu układach, napiszę nieco więcej.
Firmy Zilog osobom insteresującym się techniką cyfrową i jej historią nie trzeba przedstawiać. Wystarczy wiedzieć, że odegrała kluczową rolę w popularyzacji technologii komputerowej a jej największym osiągnięciem był legendarny procesor Z80, wprowadzony na rynek w 1976 roku. Używany był w komputerach domowych, konsolach do gier i przyczynił się do powstania pierwszych ustandaryzowanych systemów operacyjnych, takich jak CP/M. Procesor ten był produkowany bardzo długo, bo do 2024 roku a zakończenie produkcji odbiło się szerokim echem na całym świecie. Świadczyło to o niezwykle dopracowanej konstrukcji i jego uniwersalności pomimo upływu lat. W międzyczasie, gdzieś w okolicach 2004 roku Zilog wprowadził nową serię mikrokontrolerów 8-bitowych o nazwie Encore!. Jak zapewniał producent, miały one kompatybilny zestaw instrukcji z Z8 i bazowały na rdzeniu eZ8. Więcej szczegółów w temacie Encore! i innych produktach można znaleźć na stronie Ziloga.

Mikrokontrolery te nie przyjęły się tak dobrze jak inne 8-bitowe AVR, PIC czy nawet '51, ale mają kilka ciekawych właściwości. Tak się złożyło, że kilka egzemplarzy z tej serii wpadło w moje ręce.

Chęć ich poznania była największą motywacją w wyborze MCU do mojego sterownika LED, wobec którego nie miałem dużych wymagań. 
Pomysł na budowę prostego sterownika LED miałem od dłuższego czasu, chciałem czegoś uniwersalnego np. do uzyskania efektu z serialu "Knight Rider" albo do budowy świątecznych ozdób. Zwykłe, zerojedynkowe sterowanie LEDami jest mało efektowne jak np przyjemny dla oka ludzkiego efekt jaki daje klasyczna żarówka. W nowoczesnych samochodach są one symulowane np. w kierunkowskazach.
Koncepcja opierała się na sterowaniu diod za pomocą PWM, każda dioda z osobnego kanału oraz możliwości ładowania wielu ustawień i programów efektów.
Wybrałem Z8F0231, który posiada 2 KB Flash, 256 B RAM, 64 B NVDS i jest w obudowie 20-pinowej. Posiada wewnętrzny generaator przebiegu zegarowego o maksymalnej częstotliwości około 5 MHz, ale może również z zewnętrznego rezonatora kwarcowego do 20 MHz. Jeden z portów posiada regulowany programowo prąd wyjściowy co znajduje zastosowanie w sterowaniu diodami LED.
Z peryferiami, bogato nie jest, bo to 2 16-bitowe timery, watchdog i w zasadzie tyle. Inne układy z serii F0830 posiadają jeszcze ADC, ale nie ten. Więcej szczegółów w datasheet: https://www.zilog.com/docs/z8encorexp/PS0251.pdf
Zilog dostarcza IDE na Windows, które umożliwia pisanie kodu w C, kompilację, symulowanie, debugowanie, ładowanie wsadu do układów. Bardzo ciekawe i atrakcyjne jest programowanie tej serii układów, które nie wymaga praktycznie żadnych programatorów, wystarczy konwerter USB-RS232 dioda i rezystor. Trójprzewodowy interfejs programowania w układzie jest bardzo zachęcające. Więcej w serwisie wprowadzającym w tematykę mikrokontrolerów Ziloga.

Wybór mikrokontrolera bez sprzętowego PWM sprawił, że musiałem zmierzyć się z wyzwaniem jakim była implementacja PWM w wersji soft. Szybka kalkulacja w excelu pokazała, że częstotliwość 20 MHz powinna wystarczyć do obsługi kliku diod LED. Z 18 dostępnych GPIO 2 zabiera zewnętrzny kwarc, 1 pin (!) na programowanie, cztery kolejne na interfejs użytkownika w postaci 4 przycisków - wybór charakterystyk rozjaśniania/wygaszania, wybór efektu, prędkość efektu +/-. Do zapisu ustawień i programów efektów przewidziałem zewnętrzną pamięć EEPROM, która zabiera 2 GPIO. W ten sposób zostało 9 pinów do obsługi LEDów, wystarczająco na moje potrzeby.

Schemat elektryczny wygląda następująco

W sekcji zasilania pracuje stabilizator liniowy 3,3V TLV1117-33. I tutaj wychodzi kolejna ciekawostka na temat mikrokontrolera - jego max napięcie zasilania wynosi 3,6V.
Wyjścia mikrokontrolera sterują diodami poprzez tranzystory BC337, które charakteryzują się dużym prądem kolektora dochodzącym do 0,8 A. Posiadają one duże wzmocnienie prądowe, dla wersji BC337-40 minimalnie beta wynosi 250, czyli do uzyskani prądu kolektora 800 mA wystarczy wpuścić do bazy prąd 0,8A/250=3,2mA.
Na uwagę zasługuje układ adaptera do programowania, który składa się tylko z dwóch elementów R4 i D2. Firma Zilog swojego czasu oferowała specjalne programatory SmartCable pod interfejs szeregowy i USB, ale jak się okazuje, można prościej.

Ostatnia wersja Zilog Developer Studio II 5.7.0 została wydana w 2024 roku, czyli całkiem niedawno.
https://www.zilog.com/index.php?option=com_zcm&task=sdlp&Itemid=74
Środowisko dobrze działa na Linuxie Mint, zainstalowane na Wine i współpracuje z przejściówką USB<->RS232 na FTDI, trzeba tylko skonfigurować mapowanie urządzeń USB na porty w Wine.
Niestety najnowsza i kilka poprzednich wersji IDE posiada pewną niedogodność (bug?), który polega na tym, że w ustawieniach nie ma opcji podłączenia prostego programatora pod COM, tylko pod USB.
Dopiero wersja 5.5.0 z 2022 roku taką możliwość posiada.

Dużą dogodnością jest wbudowany symulator, umożliwiający debugowanie programu bez ładowania wsadu do Flasha. Interfejs do programowania układu teoretycznie umożliwia również debugowanie działającego programu załadowanego do pamięci mikrokontrolera, ale z tego nie korzystałem.
Poniżej przykład ustawienia breakpointa w dosyć krytycznym fragmencie kodu odpowiedzialnego za programową obsługę 9 kanałów PWM. Można porównać kod źródłowy w C z kodem maszynowym i zobaczyć, że kompilacja przebiegła bardzo optymalnie.

Generowanie efektów świetlnych przebiega w obsłudze przerwań od timerów T0 i T1. Obsługa przepełnienia pierwszego z nich następuje co 16 mikrosekund. Porównywane są wówczas wartości liczników każdego z kanałów z licznikiem globalnym inkrementowanym z każdym przerwaniem od T0. Gdy licznik pwmCnt jest równy zero następuje ustawienie wszystkich wyjść do stanu wysokiego. Kilka taktów później sprawdzane są warunki zera i tam stan wyjść jest resetowany.
W wyniku tego przebieg PWM ma częstotliwość fpwm=1000000/(16*255)=245 Hz.
Drugi timer posiada dłuższy cykl bo 20 milisekund. Z każdą obsługą przerwania z predefiniowanych tablic, stanowiących ustawienia efektu, pobierane są wartości PWM dla każdego z kanałów. Tablica taka stanowi definicję krzywej wygaszania i rozjaśniania LED i zawiera 32 elementy. Tyle wystarczy, aby uzyskać efekt łagodniejszego włączania i wyłączania LEDów.

Na potrzeby tego projektu z pomocą MUI Chat opracowałem prostą aplikację w React, która umożliwia uzyskanie tablicy predefiniowanych rozjaśniania i wygaszania. Rysując krzywą za pomocą myszki, program generuje na wyjściu 32 wartości z zadanych przedziałów, które wystarczy przekopiować do pamięci. Poniżej przykład krzywych zastosowanych w efektach widocznych niżej na wideo.

Krzywa rozjaśniania:

Krzywa wygaszania:

Płytkę zaprojektowałem w KiCad. Wystawione jest gniazdo zasilania DC oraz złącze do podłączenia diod LED w postaci listwy 9x goldpin z rastrem 2,54 mm. 

Efekt "Knight Rider"  (ale tylko z 7 diod, tyle miałem w zapasach)

Inny efekt, gwiazda 6-ramienna, z użyciem krzywych widocznych wyżej

 

 

Edytowano 14 stycznia przez borabora
literówka

[Christophorus]

Zamiast tych tranzystorów i rezystorów na wyjściu sterownika można było zastosować układ ULN2804. Co prawda ma on tylko osiem kanałów, ale uprościł by projekt płytki drukowanej i zmniejszył nieco pracochłonność przy jej montażu. 

[borabora]

Słuszna uwaga, z driverem ULN sterownik byłby prostszy i nawet rozważałem jego użycie, ale ostatecznie wybrałem tranzystory.
Oprócz tego, że chciałem zmaksymalizowac liczbę wyjść (9 zamiast 8 ), za tranzystorami przemawiały lepsze parametry: 800 mA prądu kolektora zamiast 500 mA oraz niższe napięcie nasycenia, około 0,7 V przy 500 mA zamiast 1,6 V przy 350 mA.