「そして...以来、回路は必要な範囲の周波数で動作しないことを証明しました」Savchenko「自分自身を開く」

この作品を書いた理由は、私にいつも起こるように、状況の組み合わせでした。 マイクロコントローラ（MK）からWS2812へのインターフェースの可能な実装の機能を振り返ると、偶然、ある会社のウェブサイトで似たようなものに出くわしました。プレゼンテーションのコース）をscる。 私はヒントを与えます-彼女は私たちの国でArduinoのボードとシールドを販売しています、名前はロシア語のアルファベットの最初の文字で始まり、それで終わり、この投稿に移動した製品はセクション「カードとモジュール」の4ページ目の最後の位置にあります"、この製品のページには、デバイスの図とプログラムへのリンクがあります。特に若いエンジニアにとっては興味深いものです（そうですね）。 Habrの他の住民がどのように暮らしているのかはわかりません。テキストを読んで、その中のある単語が間違っていることがわかりました。 つまり、私はそれが間違っていることをすぐに理解しますが、それを読んで、それが正確に何が間違っているのか、そしてエラーがどこにあるのかを理解するには時間がかかります。 残念ながら、このルールは他の人のテキストにのみ適用されます。自分の文章を読むとき、実際に書かれたものではなく、書こうとしているものを読むことがよくあります（ここに何があるべきかを本当に知っています）。 さて、サーキットを一見すると、それは間違っているように思われ、慎重に調べたところ、最初の意見が確認されました。



まず、このスキームの開発のための一般的な前提条件といくつかの理論的規定。

さまざまな電子デバイスを開発するとき、デバッグ目的と必要な機能の実装の両方のために、着信情報を処理した結果を視覚化する必要がしばしばあります。 最も一般的に使用される方法の1つは、個々の要素の形とエミッターアセンブリの形の両方の発光ダイオードエミッターです（誰もが病気になった点滅LEDが一例です）、その7セグメントインジケータは非常に一般的です（実際、それらは8セグメント化された時間ですが、明らかに、これは常にそうではなかったようです）。

このようなデバイスの管理は、特に乗算に頼らない場合、特に難しいタスクではありませんが、直接制御（つまり、セグメントごとに1つのレッグ）を実装するには2つの困難があります。まず、関与するレッグの数がセグメントの数に等しい、つまり4桁のインジケーターの場合、MKの4 * 8 = 32レッグが必要であり、これは常に可能であるとは限らず、2番目に、最初の問題を解決する場合、着信（発信）電流、32 *（場合でも）4 = 128mA、これは明らかにxを超えています 通常のMCの特性（片方の電流は通常4から20 mAに調整されますが、同時に流れる電流の合計（100 mAから300 mA）にも制限があります）が、ほとんどの場合、MCは故障せず、このような状況では、TUの範囲を超えて行くことは現在のところお勧めしません（現時点ではデータシートと呼ばれています）（これについては後で詳しく説明します）。

したがって、さまざまなタイプのバッファー回路が広く普及しており、さまざまなトリックにより、関与するMKレッグの数を減らし、LED電流をいくつかのケースに分散させ、MKとバッファーの両方の機能条件を大幅に改善することができます。



さまざまなバッファ回路から、前述のデバイスの作成者は、アマチュア無線愛好家の間で広く知られている74595タイプのシフトレジスタを選択しました。 これらのデバイスを使用すると、3つの入力を使用して8つの出力を制御できます（もちろん、無料ではありませんが、制御アルゴリズムは複雑ですが、他には何も期待していませんでした）が、さらに、これらのデバイスを順番にオンにして、3つのレッグすべてを制御できます理論的には出力信号の数に制限はありません（実際には、もちろん制限がありますが、それについては後で詳しく説明します）。

これは私がレジスターの説明を得た方法です、おそらく、私はまだ聴衆の準備不足の程度を誇張しますが、ネタバレを開けることはできません。 ちなみに、以下にアンケートがあります。回答するのが面倒ではありません。これは著者として私にとって本当に重要です。



そのため、3つのMKレッグを使用して、LEDインジケーターのセグメントをオン/オフすることを目的とした任意の数の出力を制御する機会を得ることができます。 つまり、「DarZaNeBy」であるため、私たちの利益は明らかです。 損失は​​、直接制御方式と比較して、情報の送信に必要な時間が長くなり、約N * n倍になります。 比較的遅いデバイス（そして間違いなく、エンドユーザーは限られた、そして非常に、情報処理速度のある人であるため、それらに関連するLED）の場合、そのような損失はそれほど重要ではありませんが、それでもそれは起こります、そして制限を忘れますあなたが熊手で歩くのが好きでないなら、この方法またはその方法は使用すべきではありません。



しかし、ご存知のように、完璧に制限はありません。開発者の好奇心thought盛な思考は、必要な脚の数をさらに減らす方法を探し始めました。 これを行うには、3つのレッグの一部またはすべてによって実行される機能を組み合わせる必要があります。 少なくとも1つを組み合わせますが、1つ未満の信号からのデバイスへのインターフェイスについてはまだよくわかっていません（ワイヤではなく信号を作成したことに注意してください。これはワイヤレスシステムに関するものです）。 この方向にどのような機会がありますか？ それほど多くはありませんが、2つだけです-信号の振幅の操作と時間パラメーターの操作。 振幅の方向では、見ることすらできないかもしれません。この方向の動きは非常に難しいですが、時間をかけて遊ぶことができます。 たとえば、データとストローブの2つの信号を1つに置き換えることができ、信号がストローブの到着と同等であるという事実を受け入れますが、時間パラメーター（オプションとして期間）はデータの状態に関する情報を運ぶことができます。

前述のデバイスの開発者を含む多くの人がそのような道を歩んでいますが、ソリューションのロジックは次の説明で表すことができます：短い、本物、長いさまざまな期間のパルスの形で信号を1本の線に沿って送信します。 それらの1つは、1つの転送、もう1つ-ゼロ、および3番目-転送の完了と、出力レジスタ内の情報の修正を意味します。 持続時間の特定の分布の選択は、できるだけ早く情報を送信したいという欲求（非常に自然）によって決定されるため、最もまれに発生する信号（送信の完了の兆候）については、最も長いパルスを適用し、残りの2つは任意に分散できますが、機能するロジックに基づいて595を書く方が便利ですユニットは短いインパルスを使用するので、ゼロの場合は平均時間だけが残ります。



さて、デバイスの操作には、1つの信号を別の信号と区別できる（時間パラメーターで選択する）ハードウェアソリューションが必要です。 この信号パラメーターのセレクターは、他のパラメーターよりも実装がはるかに簡単であるため、期間を選択した理由です。そのため、直列に接続された抵抗器とコンデンサーから成る回路、いわゆるRC回路（積分とも呼ばれる）を正常に適用できます。一次チェーンまたはローパスフィルター。

記載されたデバイスの回路を見ると、その上に2つのチェーンがあります.1つは短いと本物の衝動を区別するように設計されています（ここでは待ち伏せが隠されていますが、後でさらに）、そして2つ目は本物と長い衝動を分離します。 ここでは、これらのチェーンのパラメーターの計算について説明します。



このタイプのセレクターのアイデアは非常に簡単です-コンデンサーはその電圧を急激に変化させないため、パルスが積分回路に印加されると、このパルスの終わりの電圧はその持続時間に依存します（複雑な式によって、これは問題ではありません）、そしてパルスの終わりの瞬間自体が受け入れられる場合ゲートの場合、この時点でのコンデンサ両端の電圧はデータと見なされ、レジスタの出力で記録されます（シフト）。 したがって、パルス幅の要件-短いパルスは、コンデンサの電圧を生成する必要があります。これは、レジスタの入力によって高レベルとして認識され、長いものは低レベルとして認識されます。



ここでは、2種類のパルスの持続時間、パルスの振幅（式に含まれる）、チェーンのパラメーター、入力レベルの高レベルと低レベルなど、多くの未知の要素を直ちに扱います。 その数を減らし始めましょう。 パルスが振幅で2つの値を取ることを即座に決定します-高（供給電圧（U）に等しい）と低（接地（0）に等しい）。 厳密に言えば、これは絶対に必要ではありませんが、はるかに簡単であることがわかり、他の値を選択しても生活が簡素化されることはありませんが、逆になります。

以下のデータは入力レベルです。ここでは、マイクロ回路のTUが役立ちます。74595では、0.7 * Uを超える電圧は高いと見なされ、0.3 * Uを超えない電圧は低いと見なされます。ここで、Uは供給電圧です登録して、運動量パラメーターをUと一致させます。これも簡単で、カウントも簡単です。 しきい値0.5 * Uに関する一般的な意見は、TUの著者によってサポートされていないことに注意してください。



あなたの意見では、4.2Vまたは3.2Vのどちらが大きいですか？ あなたの完全に自然な答えは有名な会社NXPの意見と矛盾するので、急いで答えないで考えてください、4.2Vの最小値と標準の3.2Vがこのデバイスに与えられている技術仕様では（典型的には最小値、最大値、最大値は最小値よりも大きい必要がありますが、うまくいきません。 幸いにも、技術仕様で同様に尊敬されているTI社は、4.2Vの最小入力電圧値を提供しています。 これらのデータはすべて、U = 6Vに対して与えられます。つまり、4.2 = 6 * 0.7が満たされます。

実際、NXPの方向に自分自身を軽い妖精にさせます（とにかくHabrを読まないので、誰も私をthemったとは言わないので、何の危険もありません）。そして、典型的なしきい値とは何ですかあきらめましたか？ ほとんどの回路は、範囲全体にわたってこの値で切り替わりますか？ 通常の状態では、すべてのチップがこの値で切り替わりますか？ そのような定義をさらにたくさん考え出すことができますが、ポイントは、一般的な開発目的を除き、コンポーネントを選択せず​​に動作するデバイスを設計する場合、典型的な値を必要としないことです。この略語は、明らかに、私たちの時代には、多くの人が無視されていましたが、彼らの賢い人々は思いつきました。



タスクに戻って、4つの未知数、さらに2つの残り-パルス幅とチェーンパラメーターを特定しました。 後者の場合、簡単です-積分チェーンの動作は、方程式U（t）= Uo +（U-Uo）*（1-exp（-t / T））で記述されます。ここで、Uoは、抵抗器に印加される電圧が変化する瞬間のコンデンサー両端の電圧、U-value印加電圧、T = R * Cチェーン時定数、t時間。

次に、Txの持続時間を持つパルスの終わりの電圧は、Ux = U0 +（U-Uo）*（1-exp（-Tx / T））になります。

Txの値を自問すると、電圧がそのような値に達するまでの時間は、次の式で求められます。

Tx = -T * ln（1-（Ux-Uo）/（U-Uo））、または、選択した値を代入すると、Tx = -T * ln（1-（Ux-U）/（0-U ））そして、Tx = -T * ln（Ux / U）であることは明らかです。

特定の値を代入して、Tx（Ux = 0.7 * U）= 0.35 * TおよびTx（Ux = 0.3 * U）= 1.2 * Tを取得します。



これら2つの数値からどのような実用的な結論を導き出すことができますか？ まず、1.2 / 0.35 = 3.43です。これは、セレクターが認識するパルス幅が少なくとも3.43倍異なることを意味します。 抵抗器10％およびコンデンサ20％に設定されるコンポーネントの可能な分散を考慮することにより、この要件を強化します（後者では、すべてがそれほど良好ではなく、通常技術仕様では-20％/ + 50％を示しますが、パフォーマンスの良いコンデンサを使用しました）。次に、3.43 * 1.1 / 0.9 * 1.2 / 0.8 = 6.29を取得します。これは、回路パラメータの（TUのフレームワーク内での）変更で認識されることが保証されるパルス幅の比率です。 もちろん、これらは制限値であり、実際にはパラメーターが一方向に同時に逸脱することはほとんどありませんが、最悪の場合を考慮する必要があります。 「もちろん、最終結果に興味がなければ、これをすべて行うことはできません」-Zhvanetsky。



2つのセレクターの時定数の比率についても同様の数値が得られますが、1つのパルスに対して異なる応答をする必要があり、信頼性の高い動作の基準を満たすには6.29を超える必要があります。 これで、残りの未知数、つまり、パルス幅とセレクターのパラメーターの選択に進むことができます。



最初に、追加の選択基準を定義します。最大速度で回路を設計しようとするため、可能であれば、パルス幅を最小限に抑える必要があります。 短いパルスの持続時間（t1）として、ハードウェアの制限（MKの動作速度と選択されたパルス生成方法）により、可能な限り最小のパルスを持つものを選択します。 これに続いて、6.29 * t1でパルス幅が（to）本物であると判断し、それに応じて6.29 * 6.29 * t1 = 39.51 * t1で長いパルスの幅（t2）が決定されます。



次に、最初のセレクターの時定数はT1> = t1 / 0.35 / 0.9 / 0.8 = t1 * 3.96であり、同時にT1 <= t0 / 1.2 / 1.2 / 1.1 = t0 * 1.15 = t1 * 3.97、つまり値T = 3.96 * t1両方の基準を満たしています。そうです。 同様に、2番目のセレクターの時定数はT2 = 3.96 * t2 = 156.5 * t1であることがわかります。 t1の値を選択することは残り、パルス幅を選択する問題は完全に解決されます。



しかし、まだ質問が残っているかどうかを確認しましょう。 つまり、パルス間の間隔の問題であることがわかりました。 計算では、コンデンサの電圧の初期値はU-電源電圧であると想定していたため、パルスの終わりに、コンデンサの電圧を電源電圧に戻すための対策を講じる必要があります。

ダイオードをオンにするために抵抗と並列に推測した場合（ショットキーよりも優れており、並列の小さな電流制限抵抗の方が優れている場合）、パルス間の休止中に大幅に短い時定数で電圧が上昇し、この問題の関連性が失われますが、直接的な電圧降下を考慮する必要があります初期値を決定するときのダイオード。

これを行わなかった場合（発生した場合）、パルス間にかなり大きな間隔が必要です。とにかく、電圧対時間の動作の式を見ると、高レベルの値を取得することはできません。無視できる値。 ええ、はい、限界の理論は実際の発展とは非常に遠い関係にあり、私たちは自分に合った正確さで自分自身に尋ねなければなりません。 計算では、電圧を復元するために3 *（T1、T2）の時間間隔を選択した場合、次のパルスの前のコンデンサー両端の電圧は少なくとも0.95 * Uであり、これはかなり良い近似です。



したがって、回路を構築し、プログラムを実行し、回路データを提供するために必要なすべてのデータを受け取りました。t1を決定するだけで、他のすべてのパラメーターは自動的に取得されます。 T2は、関係T = R * Cによって決定されるため、多くの方法で目的の値を取得できることを意味します。 決定は通常、さまざまな要因に基づいて行われます。1つまたは別の評価の可用性またはデバイスの他の場所での適用可能性のためだけに行われることもありますが、科学的にこの問題に取り組みます。



まず、抵抗器を検討します。これは、上から課せられます-セレクターの抵抗器を流れる電流は、接続されたデバイスの回路の入力電流よりも大幅に（1桁以上）大きくなければなりません。そうでなければ、電圧の時間依存性に関する最初の仮定は調整。 技術仕様に戻り、入力電流が1μAであることを確認すると、Ir = U` / R >> i = i1 * nが得られます。ここで、U`はパルスの終わりの最小電圧、i1はデバイスの入力電流、nはデバイスの数です。 したがって、R << U` / i1 / n、値R << 0.3 * 3.3 /（1 * 10-6）/ 4 = 247 Komに置き換えます。

しかし、小さな抵抗器では、抵抗器に割り当てられる電力など、必要な容量が大きすぎるという事実に加えて、下からの制限があります。 そのため、Pr = U * Ir = U * U / R <= Pmaxが成り立ち、そこからR> = U * U / Pmax = 3.3 * 3.3 / 0.125 = 87オーム（小型抵抗器の場合）が得られます。 それが強力な制限ではなかったというわけではなく、妥当な静電容量の要件により抵抗が増加しますが、それが決して有害ではないことを覚えておいてください。

それにも関わらず、計算により247Kom >> R> = 87オームの範囲に至りました。これは経験則を再度確認します-抵抗値をカウントするのが面倒なら、10Komを入れれば、あなたは間違えられません。 さて、抵抗器の値が与えられると、コンデンサの値は1つのアクションで計算されます。



しかし、ここで私たちは1つの危険に直面しています-計算によって得られたコンデンサ定格はアクセスできない可能性があります（まあ、それは標準シリーズではありません）、したがって、パルス持続時間と時定数の比の計算にさらに10％の離調を追加する必要があります、私はこれを好奇心reader盛な読者に任せます。また、実際の回路には表示されそうにないもう1つの考慮事項がありますが、覚えておく必要があります-選択したコンデンサの定格は、デバイスの入力容量を大幅に超える必要があります（仕様によれば、これは10 pFであり、下限C >> 10pF * 4 = 40 pF、それ以外の場合は計算で考慮する必要がありますが、上限のみがわかっているため、明確に推奨しません。



そのようなスキームの要素を計算する方法がわかったので、それがすべて始まった特定の実装に注意を払います。そこでは、最初の選択チェーンで3.3KΩの抵抗器と2.2nFコンデンサが使用され、t1 = 7.26μsが決定され、2番目のセレクターではt2 = 72.6μsが基準t2> 6.29 * t1を満たします。両方の抵抗器の値は選択条件を満たし、コンデンサも下限を通過します。ここではすべて問題ありません。確かに、可能なパフォーマンスはわずかに低下しましたが、これはそれほど重要ではありません。



次に、パルスの持続時間を決定します。記録パルスユニットの持続時間はt1 <= 0.38 * T1 = 2.54μs、ゼロ記録パルスの持続時間は0.35 * T2 = 25.4> = t0> = 1.2 * T1 = 8.71μs、データ記録パルスの持続時間はt3> = 1.2 *である必要がありますT2 = 87.12μs。 t1の後の一時停止は3 * T1 = 21マイクロ秒を超え、t0の後の一時停止は3 * T1 = 21マイクロ秒を超え、t3の後の一時停止は3 * T2 = 210マイクロ秒を超える必要があります。



当然、供給されたパルスの持続時間を回路上で確認することはできないため、製品の説明ページで参照できるスケッチのテキストを参照します。そして、ここでいくつかの矛盾に直面しています。つまり、プログラムテキストに次の値が表示されています。

インパルスt1-テキストから期間を決定することはできません。標準ライブラリの関数が使用されますが、16 MHzの速度では、出力レジスタに1を書き込むための2.54 * 16 = 40命令の命令数で十分です-要件を満たします。

t1の後の一時停止-30μs> = 21μs-要件を満たしています。

期間t0-15マイクロ秒> = 8.71マイクロ秒、15マイクロ秒= <25.4マイクロ秒-要件を満たしています。

t0-60μs> = 21μs後の一時停止-要件を満たしています。

持続時間t2-60μs> = 87.12-要件を満たしていません。

t2後の一時停止-300μs> = 210μs-要件を満たしています。



つまり、固定パルスの持続時間は2番目のセレクターの信頼できる動作を提供せず、デバイス全体の動作は保証されないことがわかります。このデバイスは実装用に提案されており、そのようなエラーはすぐに検出される必要があるため、これはどのようになりますか？これにはさまざまな説明があるかもしれません-最悪の場合の制限を計算しましたが、通常はすべてが正常です。情報がそれほど頻繁に変更されないため、更新をスキップすることで、デバイスがまだ動作している場合、実際には、t1の後の一時停止が必要です21マイクロ秒ではなく、3 * 72 = 210マイクロ秒です。したがって、ゼロを送信すると、初期レベルの低下が観察され、それに応じて動作条件が容易になり、最終的に、私たちはどこかで過小評価しました。



これらの仮定のいくつかを検証するために、Proteusプログラムでこのスキームをシミュレートする実験を行います（ちなみに、私はそれをお勧めします、奇妙なことではありませんが、本当に非常に良いです）、実験はt2 60μsecの期間で計算の正確性を確認することがわかりますデータは発生せず、固定パルスの前の情報ストリームにゼロがある場合、パルス持続時間は75マイクロ秒で十分であり、計算されたように87マイクロ秒ではなく、パルス前のユニットの場合のように、修正国家。ただし、60マイクロ秒では十分ではありません。



リポジトリの注意深い研究は別の説明につながります-アーカイブ内のライブラリのリリースを見ると、100マイクロ秒で要件を完全に満たしていますが、直接アクセス可能なファイルを見ると、60マイクロ秒とこれが2か月の修正であるというメッセージが表示されます処方箋。私はGitHubがあまり得意ではありません。おそらくそこにあるはずですが、私の意見では、これは単なる過失の兆候です。



そのため、プログラムは選択チェーンの値を持つ回路上のデータでは安定して動作しないことを示しましたが、注意深い読者は、プログラムテキストなしで、回路を見ただけではそのような矛盾を検出できないことにすぐに気付きます（投稿の冒頭で述べたように）さらに、心の中で必要なすべての計算を行った。 「私は信じない」、注意深い読者は叫び、絶対に正しい。特定のデバイスインスタンスに表示されない可能性のあるこの矛盾に加えて（結局、最大値の他に、典型的な値もあり、すべてがうまくいきます）、回路には別の欠点があり、それははるかに重要です。



固定パルスは、その主な機能に加えて、その終了がデバイスによってストロボと見なされるため、シフトレジスタにも記録されるという事実から成ります。その結果、チェーンの最初の桁に0が書き込まれ、他のすべてのデータがシフトされ、予想したものがまったく表示されなくなります。この状況はパルス幅とは関係がなく、避けられません。これが私の目を引いたものです。



データを記録するときにこの状況を考慮し、8ビットすべてを送信するのではなく、最初のインジケーターで7ビットのみを使用すると、問題の重大度を多少減らすことができます。インジケーターに表示されないため、目立たなくなります。ダイアグラムで最初のデバイスの最初の出力がインジケーターに接続されていないという事実に注意を払う場合、開発者が行ったのはまさにこの方法です。確認は、プログラムテキストにもあります。情報は、関数によって表示されます。

static void sendByte(uint8_t pin, byte data, byte n = 8)
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

デフォルトのパラメーター8で、最後のセクションの結論は明示的なパラメーター7で実行できますが、何らかの理由でこれは実行されませんでした。

また、このような解決策では、最初のインジケーターのポイントを点灯する機会がまだないため、どこかに直接表示することをお勧めします。



要約すると、私たちは自信を持って、開発者が提供したプログラムは、アーカイブ、開発者が指定したスキームを含む拡張バージョンでは正しく動作しないことを提供します。 このプログラムがエラーなしで機能できるように、スキームに最小限の変更を加えることができるのは何ですか（プログラムに変更を加えなければ最初のインジケーターの最初のビットを制御できないことは明らかです）？ 幸いなことに、変更が可能です。 デバイスの形または反転トランジスタ回路の形のいずれかで、2番目のセレクタの回路にインバータを追加するだけで十分です（この場合、トランジスタのパラメータに基づいて期間を再計算する必要があります）。上記の問題は正常に解決されます。 同時に、t2パルスの送信中（その最後ではなく）に、正しい情報を記録する書き換え信号が生成されます。パルスの終了後、デバイスはストローブを受信し、レジスタ内の情報を歪めますが、これは出力には影響しません。 開発者がそれをやったことを願っています。ウェブサイトのスキームを更新するのを忘れただけで（これもまた過失を示しています）、彼らが生産するデバイスは、エレクトロニクス愛好家のすばらしい仕事を続けています。



それにもかかわらず、特に重要な時定数を持つプリミティブ期間セレクターが論理要素の入力で直接動作し、さらにクロック入力で動作する場合、このような決定について若いエンジニアに強く警告したいと思います。 実際には、特別な保護対策を講じないと、長い前線は多くの不便を伴います。スイッチング電圧に近いポイントで環境全体のノイズを収集することから始まり、入力電圧の中間値に長時間さらされた結果としてデバイスに潜在的な損傷を与えて終わります入力段の電流。 この逆境の現代のデバイスは実質的に影響を受けませんが、私の若者の年にこれが起こりました。