Wskaźnik wysterowania VU-Meter na Arduino + ASM + NeoPixel

[borabora]

Programowalne diody LED RGB zyskały ogromną popularność i są chętnie używane w projektach DIY a także i w urządzeniach komercyjnych. Prostota interfejsu sprzętowego powoduje, że można je łączyć w całkiem długie łańcuchy i uzyskiwać efekty świetlne praktycznie niemożliwe do otrzymania stosując klasyczne LEDy.

Prezentuję tutaj ich praktyczne zastosowanie jakim jest wskaźnik wysterowania sygnału audio. Dawniejsze analogowe wskaźniki w postaci słupków LED, opierały się na wielu analogowych komparatorach, tak jak jest na przykład w znanych układach serii LM391x.
Korzystając z nowoczesnych "inteligentnych" LED oraz Arduino nano z MCU ATMega328P otrzymałem efekt, którego właściwości w większości można ustawiać drogą programową, czyli np. można zmieniać liczbę LEDów w słupku, kolor, czas opadania, czułość.
Jako wyświetlacz posłużyło fabryczne urządzenie estradowe z wymontowanym oryginalnym sterownikiem.

 

 

Składa się z metalowej obudowy, długiej płytki z LEDami, zasilacza i sterownika, który został zdemontowany. Diody LED RGB są sterowane poprzez drivery SM16824E. Diody podzielone są na 8 sekcji, po 6 w każdej, w sumie 48 sztuk. Protokół sterowania tymi driverami jest bardzo podobny do bardziej popularnych WS2812. SM16824E ma tą zaletę, że umożliwia sterowanie diodami RGBW większej mocy. 

Opisywany sterownik może działać również ze "zwykłymi" paskami LED, np. z WS2812, gdyż sterowanie różnych typów diod inteligentnych jest bardzo podobne do siebie. 
W projekcie sterownika największym wyzwaniem okazała się obsługa interfejsu "inteligentnych" LEDów. Dane konfigurujące diody są wysyłane szeregowo. Do sterowania wystarczy jedna linia, która łączy GPIO mikrokontrolera z pierwszą diodą. Porównanie timingów kodowania stanów logicznych protokołu sterującego diodami WS oraz driverów SM16824E przedstawia się następująco:

 

Ponieważ sterowanie innymi diodami różni się jedynie szczegółami w czasach trwania impulsów, sterownik może być w prosty sposób przestawiony na pracę z odpowiednim typem diod.
Ramka danych konfigurujących zawiera pakiety RGB dla każdej z diod w szeregu i pakiet bajtów ustalający jasność.

Analizując czasy trwania impulsów, można dojść do wniosku, że są to bardzo krótkie czasy: jeden takt zegara mikrokontrolera ATmega w Arduino nano wynosi 1/16MHz = 62,5 ns. Czas trwania T0H to jest 300 ns, z tego wynika, że w ciągu trwania tego impulsu MCU może wykonać max 4,8 cykli zegara, w zaokrągleniu 5. 
Wykonanie sensownych operacji, np. odczytanie bitu z bajtu bufora i ustawienie odpowiednio wyjścia jest niemożliwe. 
Z tego powodu, uniwersalna biblioteka FastLed zgłaszała błąd kompilacji, przy próbie jej użycia do sterowania driverami SM16824E. Być może istnieje inna biblioteka, która obsługuje te sterowniki przy częstotliwości 16 MHz, ale nie chciało mi się szukać i postanowiłem sam napisać własne procedury w asemblerze AVR. Środowisko Arduino, kojarzone z tworzeniem oprogramowania raczej na wysokim poziomie, umożliwia stosowanie wstawek asemblerowych, a nawet dołączanie całych plików z kodem maszynowym.

Żeby to zrobić, wystarczy utworzyć plik z kodem asemblera i zapisać w katalogu z plikami źródłowymi Arduino i używać wstawek asemblerowych jako zwykłej funkcji ShowLeds. W prosty sposób można korzystać ze zmiennych zadeklarowanych w kodzie Arduino, przykładowo tutaj muszę korzystać z tablicy dataArray będącej buforem dla ramki danych sterujących LEDami.

Można zwrócić uwagę na konieczność odkładania na stos używanych rejestrów i oczywiście wyłączania przerwań w trakcie wysyłania ramki sterującej diodami.

Sam sterownik zmontowałem na płytce uniwersalnej i dopasowałem go do istniejącego otworu na wyświetlacz oryginalnego sterownika, tak by można było w prosty sposób powrócić do oryginalnego.

 

Na zewnątrz wystawione są gniazdo Jack Stereo 3,5 mm sygnału wejściowego, gniazdo USB płytki Arduino nano, potencjometr do regulowania czułości, 4 przyciski sterujące i dioda sygnalizująca pracę. W torze analogowym na wejściu znajduje się filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej około 650 Hz zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym LM358.

Ponieważ minus zasilacza jest połączony z obudową, tym samym z masą Arduino nano, występowały problemy z pętlą masy. Skutecznym rozwiązaniem okazało się sprzęgnięcie pojemnościowe wszystkich linii wejściowych audio, łącznie z masą.

Urządzenie daje się konfigurować na dwa sposoby: przyciskami albo poprzez kabel USB i terminal łącza szeregowego. W pierwszym przypadku wskaźnik LED służy do pokazywania poziomu bieżącej nastawy, przyciskami wybieram parametr - każdy ma swój kolor. Więcej możliwości dostarcza sterowanie poprzez łącze szeregowe, przykład z użyciem telefonu jako terminala:

Poniżej działający wskaźnik z nastawionymi dwoma różnymi czasami opadania:

 

 

 

Edytowano 21 stycznia przez borabora
dodanie linków, poprawa

[Santiago]

Znowu nowa rzecz do nauki 'pętla masy' ,.... 

[borabora]

To jest szeroki temat, problem z którym walczą amatorzy i profesjonaliści. Podłączasz jedno urządzenie i wszystko działa dobrze, podłączasz inne i dzieją się rzeczy niezrozumiałe  
Dotyczy głównie połączenia PE i wyrównywania potencjałów między masami a co za tym idzie - przepływu prądów stałych i zmiennych.