В данной статье будет детально описана работа с ШИМ контроллером на основе TLC5940 под управлением микроконтроллера, например, STM32F100. Рассмотрим детально строение контроллера и принципы работы с ним (аппаратный и программный аспект). Сам когда-то зубы съел на его запуске TLC`шки, думаю данная статья поможет легко и быстро запустить устройство на TLC5940.
Содержание
1. Обзор TLC5940.
Кратко по характеристикам TLC5940:
- Напряжение питания: 3-5,5 В.
- 16 ШИМ каналов с ограничением по току и глубиной в 12 бит или 4096 уровней.
- Каждый канал имеет свой 6-битный ограничитель по току (64 уровня регулировки тока канала).
- Ток 60-120 мА на канал для напряжения питания <3,6 В и 5,5 В соответственно.
- Последовательный интерфейс обмена с микроконтроллером (до 30МГц)
- Различает уровни CMOS.
- Так же микросхема умеет определять отсутствие нагрузки (например, отключенный светодиод) и сообщать о своем перегреве.
- Стоимость около 1$ на AliExpress
Рассмотрим распиновку на примере TLC5940NT. И пройдемся по выводах микросхемы.
Название вывода
Назначение вывода
OUT0-OUT15
выводы ШИМ-сигнала
VCC и GND
питание микросхемы
SIN
Вход даных
SCLK
Тактовый сигнал данных
SOUT
Выход данных
XLAT
Сигнал защелкивания данных из сдвиговых регистров
BLANK
Обнуление счетчика ШИМ и выключение каналов OUT0-OUT15
GSCLK
Тактовый сигнал ШИМ
IREF
Ограничение по току для всех каналов
XERR
Выход для сигналов ошибок
VPRG
Задает режим работы (0 – режим ШИМ
1 – режим коррекции тока каналов)
DCPRG
Задает режим работы с данными коррекции тока каналов
(0 – EEPROM
1 – DC Register)
Теперь глянем на внутренности микросхемы:
Как видно из рисунка, у нас на борту есть блок контроля за выходным током, вход для счетчика ШИМа, блок слежения за ошибками. Теперь самое вкусное: данные последовательно пропихиваются в сдвиговый регистр Input Shift Register. В зависимости от предназначения этих данных (значения ШИМ (GrayScale) или коррекция тока каналов (Dot Correction)) они по приходу сигнала XLAT и состояния VPRG записываются в регистры ШИМ (GS Register) или коррекции тока каналов (DC Register). Далее ШИМ-контроллер заземляет или отключает от земли свой вывод OUTn.
Если честно, TLC5940 не такая уж и умная – всего-то умеет считать от 0 до 4095 и следить за выводами ШИМ.
2. Принцип работы
Для простоты понимания принципа работы микросхемы рассмотрим живой пример.
Задача: засветить 12-битным ШИМом 16 светодиодов.
16 каналов по 12 бит дадут нам 192 бит данных, которые как уже говорилось, нужно передать последовательно по линии SIN. Самое простое, что напрашивается для реализации этой задачи – SPI. Поехали!
Заранее оговоримся: если работаем лишь с ШИМом – выставляем на управляющих выводах следующие значения:
VPRG лог. 0
BLANK лог. 1
XLAT лог. 0
Вместе с нарастанием тактового сигнала на SCLK бит за битом данные поступают в сдвиговый регистр (192 штуки). Пропускная способность канала ограничена в 30Мбит (максимальная частота тактовых импульсов на SCLK – 30 МГц). Данные должны поступать старшим битом 15-го канала (MSB) вперед. Передача начинается с данных 15-го ШИМ-канала и заканчивается данными 0-го канала. Формат пакета имеет следующий вид:
Тут все просто. После этого направляем данные в свои каналы (защелкиваем их импульсом на XLAT). Стоит отметить, что данные сразу защелкиваются в регистры ШИМа (и перезаписывают значения там лежащие), поэтому защелкивание данных нужно проводить ПОСЛЕ окончания цикла ШИМ.
Теперь о том, как получить на выходе OUTn сигнал ШИМа. Все данные загружены в регистры ШИМ. Нужно разрешить работу вывода установкой
BLANK лог. 0
и запустить 4096 импульсов на вход GSCLK. Микросхема начнет считать эти импульсы и сравнивать значения своих счетчиков со значениями в регистрах ШИМ-канала. Пока она это делает, можно отправить следующую порцию данных (следующие 192 бита). Далее текущий цикл ШИМа завершается. Отключаем выводы ШИМа установкой
BLANK лог. 1
Защелкиваем новые данные в регистры ШИМ-каналов импульсом на XLAT. Включаем каналы (BLANK лог. 1) и запускаем 4096 импульсов на GSCLK. То есть цикл повторяется.
Ниже приведена временная диаграмма отправки 3-х пакетов.
Как видно из диаграммы, начиная со второго пакета разработчики рекомендуют перед отправкой пакета вставлять дополнительный импульс тактового сигнала SCLK (193). Хотя даже без него все работает отлично.
Несколько слов про тонкую настройку максимального тока каждого вывода OUTn. TLC5940 позволяет ограничить максимальный выходной ток ШИМ-каналов с помощью резистора, который тянет вывод IREF к земле. Но, когда мы работаем с RGB светодиодами для разных цветов номинальный ток не одинаковый. Если мы будем ограничивать ток диодов одним значением, передача цвета исказится. Для устранения проблемы можно использовать 64-ступенчастую коррекцию тока канала (Dot Correction) – на каждый канал приходится по 6 бит (96 бит на все каналы). Предел коррекции тока – от 0% до 100%.
В режим коррекции тока канала можно войти подняв вывод VPRG к напряжению питания (лог. 1). Отправка данных имеет тот же вид: начинаем отправку со старшего бита 15-го канала и заканчиваем младшим битом 0-го канала запись осуществляется по нарастанию тактового импульса SCLK. Когда все 96 бит прошли, защелкиваем их в регистры DC Register импульсом на XLAT. Опускаем VPRG в лог. 0. Формат пакета коррекции тока имеет следующий вид:
Временная диаграмма приведена на рисунке ниже.
В этом режиме можно не переживать за состояние BLANK т.к. данные записываются в регистры коррекции каналов. Так же можно записывать данные коррекции тока в память EEPROM, но про это как-нибуть в другой раз. Переходим к схемам подключения.
Стоит ещё упомянуть про возможность каскадного подключения микросхем. Различие в передаче данных – лишь в их количестве (например, для 2-х микросхем нужно будет отправить не 192 бита, а 384 и в конце передачи защелкнуть их в регистры ШИМ).
3. Схемы подключения
Данная микросхема требует минимальной обвязки, поэтому схема до безобразия проста:
а каскадное включение 3-х микросхем выглядит так:
Схема в Eagle прилагается.
4. Запуск
Принцип работы схема подключения к микроконтроллеру нам понятны. Пришло время зажечь что-то на TLC5940. Для понимания накатаем алгоритм, а потом и программу.
Программа, для простоты и практичности, работает с 8-битной кодировкой цвета, поэтому ее нужно перекодировать в 12-битный формат и упаковать в 16-битные слова (SPI отправляет по 16 бит за раз), а уже потом отправлять по SPI. Получается что то типа RRRG,GGBB,BRRR…
В основном цикле программы мы проверяем не готовы ли новые данные для отправки (если да – конвертируем в 12-битный формат) и можно ли отправлять новый пакет данных (отправляем).
А теперь – подпрограмма прерывания таймера:
Период ШИМа отслеживается таймером, который считает 4096 импульса и в прерывании отключает ШИМ-выводы, защелкивает пришедшие данные в регистры ШИМ и, включая снова выводы, запускает новый период ШИМа с обновленными значениями яркости. Главное – успеть отправить данные за период ШИМа (если не успеть, нужно увеличивать скорость передачи или период ШИМа)
Если на GSCLK подать 12МГц получим около 3кГц ШИМ. Таймер работает на той же частоте и отсчитывает нужные 4096 импульсов. Импульсы на GSCLK присутствуют постоянно, т.к. счетчик ШИМ сбрасывается при импульсе BLANK после срабатывания таймера. SPI работает тоже на 12МГц.
Процедура перевода из 8-битной в 12-битную систему замороченная (в свое время ничего лучшего не придумал), но сводится к сдвигу на 4 знака влево (0xFF превращается в 0x0FF0). Потом эти числа упаковываются сдвигами и суммированием в 16-бытные слова, из которых состоит конечный пакет для отправки в TLC5940.
Теперь основные моменты программы.
Основной цикл:
while(1){
//если готовы новые данные -конвертируем 8bit to 12bit-in-16bit
if(newData==1){
convertData(DataIn); //convert array
newData = 0;
}
//отправка в TLC если разрешает таймер (начался цикл ШИМ)
//вначале делаем 193-й импульс
if(nextData==1){
if(fstCycleFlag ==1){
SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_SPE; //disable SPI
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF5;
GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS5; //»SCLK» HI
GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR5; //»SCLK» LO
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF5_1;
SPI1->CR1 |= SPI_CR1_SPE; //enable SPI
}
//теперь отправляем
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
for(i=0;i< GSdata_N;i++){
SPI1->DR = GSdataOut[i];
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
}
fstCycleFlag = 1;
//теперь можно защелкивать (puls of XLAT when BLANK pulse is present)
latchData = 1;
nextData = 0; //чтоб не возвращаться больше сюда
}
}
Прерывание таймера после 4096 импульсов GSCLK.
void TIM3_IRQHandler(void){
if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF){
TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;
BLANK_1; //BLANK HI
//если можно защелкивать, то делай
if(latchData){
XLAT_1; //XLAT HI
XLAT_0; //XLAT LO
latchData = 0;
}
//теперь опускаем BLANK, тем самым запускаем новый цикл ШИМ с новыми данными
BLANK_0; //BLANK LO
//разрешаем отправку новых данных, пока ШИМ работает
nextData=1;
}
Конвертация данных замудрёная (можно конечно и через таблицу да ещё и с гамма-коррекцией), но работает как надо.
void convertData(u8 *Din){
u16 j = 0;
u16 s = 1;
u16 k = 0;
u16 tmp1=0, tmp2=0;
for(j=0;j
tmp1 = Din[s];
tmp1 <<= 4+(k*4);
tmp2 = Din[s+1];
tmp2 >>= 8-(k*4);
GSdataOut[j] = tmp1+tmp2;
s++; k++;
if(k==3){
k=0;
s++;
}
}
}
Исходник программы в файле под статьей.
Прикрепленные файлы: