Upload
truongdang
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Fakulteta za elektrotehniko,
ra unalništvo in informatiko
Smetanova ulica 17
2000 Maribor, Slovenija
Tomaž Mori
KRMILNI SISTEM ZA ADITIVNO SVETLOBNO
VZBUJANJE
Diplomsko delo
Maribor, januar 2014
KRMILNI SISTEM ZA ADITIVNO SVETLOBNO
VZBUJANJE
Diplomsko delo
Študent: Tomaž Mori
Študijski program: univerzitetni študijski program
Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: doc. dr. Iztok Kramberger
Somentor: asist. dr. Marko Kos
i
ZAHVALA
Mentorju doc. dr. Iztoku Kramberger
in somentorju asist. dr. Marku Kos za
vsestransko in nepogrešljivo pomo .
Posebej se zahvaljujem mojim staršem
in dekletu Anji Kocbek za vso podporo
in vzpodbudo za dokon anje študija.
ii
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
Klju ne besede: svetlobni odziv, barvni prostor, USB, mikrokrmilnik, krmilni sistem
UDK: 681.586.73(043.2)
Povzetek
V diplomskem delu je opisana zasnova in izdelava sistema z nastavljivim svetlobnim
vzbujanjem v aditivnem RGB barvnem prostoru, kateri se na osebni ra unalnik priklopi
preko USB vmesnika, za potrebe analize svetlobnega odziva na dano svetlobno
vzbujanje. Na za etku v teoreti nem delu so opisani osnovni svetlobni pojmi, RGB in
CMYK barvna prostora ter delovanje RGB LED diod. V nadaljevanju je podrobno opisan
razvoj našega mikrora unalniškega sistema, njegovih posameznih glavnih blokov ter
pripadajo e programske opreme, tako krmilnega programa za naš izbrani mikrokrmilnik
kot tudi nadzorni program na osebnem ra unalniku.
iii
Control system for additive light excitation
Key words: light response, color space, USB, microcontroller, control system
UDK: 681.586.73(043.2)
Abstract
The design and construction of the system with adjustable light excitation in the additive
RGB color space is described in this diploma work. The system is connected to a PC via a
USB interface for the purpose of the analysis of light response to a given light excitation.
At the beginning of the diploma work basic concepts of light, RGB and CMYK color
spaces and the operation of RGB LEDs are described. After that the development of our
microcontroller system, its individual key blocks and associated software, separated on
control program for our selected microcontroller and the control program on PC, are
described. At the end the conclusion is given.
iv
KAZALO
1 UVOD .............................................................................................................. 1
2 SVETLOBNO VZBUJANJE ............................................................................ 3
2.1 Predstavitev barvnih prostorov ............................................................................................. 3
2.2 Barva ......................................................................................................................................... 4
2.3 Barvni odtenek ......................................................................................................................... 5
2.4 Svetlost in svetilnost ............................................................................................................... 6
2.5 Barvitost in barvnost ............................................................................................................... 6
2.6 Nasi enje .................................................................................................................................. 6
2.7 Barvni prostor RGB ................................................................................................................. 7
2.8 Barvni prostor CMYK .............................................................................................................. 8
2.9 RGB LED diode ...................................................................................................................... 10
3 VGRAJEN SISTEM ...................................................................................... 12
3.1 Komunikacijski pretvorbeni vmesnik FT232BL .................................................................. 13
3.2 8-bitni mikrokrmilnik ATmega 16 ......................................................................................... 16
3.3 Digitalno-analogni pretvornik DAC8555 .............................................................................. 19
3.4 Izhodni mo nostni del vezja ................................................................................................. 21
3.5 Tiskano vezje ......................................................................................................................... 24
4 NADZORNI PROGRAM ................................................................................ 29
4.1 Protokol med osebnim ra unalnikom in krmilnim vezjem ................................................ 29
4.2 Nadzorni program na osebnem ra unalniku ...................................................................... 31
4.3 Krmilni program za mikrokrmilnik ....................................................................................... 39
5 MERITVE IN REZULTATI ............................................................................. 43
6 SKLEP .......................................................................................................... 51
v
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Barvni krog ........................................................................................................... 5
Slika 2.2: RGB barvni prostor .............................................................................................. 7
Slika 2.3: Aditivno barvno mešanje v RGB barvnem prostoru ............................................. 8
Slika 2.4: CMYK barvni prostor ............................................................................................ 9
Slika 2.5: Barvno mešanje v CMYK barvnem prostoru ........................................................ 9
Slika 2.6: Tipi en sevalni spekter RGB LED diod .............................................................. 10
Slika 2.7: RGB LED s skupno katodo (levo) in skupno anodo (desno) ............................. 11
Slika 3.1: Blokovna shema vgrajenega sistema ................................................................ 12
Slika 3.2: Ohišje in razpored priklju kov integriranega vezja FT232BL ............................. 14
Slika 3.3: Blokovna shema FT232BL USB UART ............................................................. 15
Slika 3.4: Ohišje in razpored priklju kov 8-bitnega mikrokrmilnika ATmega 16 ................ 17
Slika 3.5: Blokovna shema 8-bitnega mikrokrmilnika ATmega 16 ..................................... 18
Slika 3.6: Blokovna shema digitalno-analognega pretvornika DAC8555 ........................... 20
Slika 3.7: Serijski vpis vhodnih podatkov v DAC ............................................................... 21
Slika 3.8: Napetostno tokovni pretvornik na osnovi operacijskega oja evalnika ............... 22
Slika 3.9: Matrika RGB LED diod ....................................................................................... 23
Slika 3.10: Shema integriranega vezja FT232BL .............................................................. 25
Slika 3.11: Podnožje integriranega vezja FT232BL ........................................................... 25
Slika 3.12: Kon na verzija skonstruirane dvoslojne tiskanine ........................................... 27
Slika 3.13: Izdelano tiskano vezje ...................................................................................... 28
Slika 4.1: Komunikacijski nivoji nadzornega programa, zasnovanega na osnovi FTDI
integriranega vezja ............................................................................................................ 32
Slika 4.2: Za etni pozdravni zaslon nadzornega programa ............................................... 33
Slika 4.3: Diagram poteka glavnega programa .................................................................. 33
Slika 4.4: Diagram poteka funkcije Zaznaj_naprave() ....................................................... 34
Slika 4.5: Nastavljanje svetlobne jakosti po posameznih barvnih komponentah ............... 35
Slika 4.6: Nastavljanje svetlobne jakosti glede na skupni tok ............................................ 36
Slika 4.8: Diagram poteka funkcije Komunikacija .............................................................. 38
Slika 4.9: Diagram poteka glavnega krmilnega programa ................................................. 40
Slika 4.10: Diagram poteka funkcije init_uart() .................................................................. 40
Slika 4.11: Diagram poteka funkcije init_dac() ................................................................... 41
Slika 4.12: Diagram poteka funkcije write_dac .................................................................. 42
vi
Slika 5.1: Graf relativne ob utljivosti v odvisnosti od valovne dolžine merilnega
inštrumenta NI L204 .......................................................................................................... 44
Slika 5.2: Graf odvisnosti svetlobne jakosti od binarne vrednosti digitalno-analognega
pretvornika ......................................................................................................................... 46
Slika 5.3: Graf odvisnosti napetosti na diodah od krmilnega toka skozi diodo .................. 48
Slika 5.4: Graf odvisnosti napetosti na izhodnih uporih od krmilnega toka skozi diodo ..... 49
Slika 5.5: Odziv diod v normiranem histogramu za rde o r in zeleno g krominanco pri
4096 razli nih barvah ustvarjenih z LED diodami .............................................................. 50
KAZALO TABEL
Tabela 4.1: Uporabljeni nabor ukazov med nadzornim in krmilnim programom ................ 30
Tabela 4.2: Zaporedje 24 bitov podatkovnega signala digitalno-analognega pretvornika . 30
Tabela 5.1: Izmerjene in prera unane vrednosti svetlobne jakosti v odvisnosti od binarne
vrednosti digitalno-analognega pretvornika ....................................................................... 45
Tabela 5.2: Izmerjene vrednosti napetosti na diodah in izhodnih uporih v odvisnosti od
binarne vrednosti digitalno-analognega pretvornika .......................................................... 47
vii
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC
RGB: Red Green Blue, rde e zeleno modri
LCD: Liquid Crystal Display, zaslon z teko imi kristali
CMYK: Cyan Magenta Yellow Key, sinje škrlatno rumen z klju em
LED: Light Emitting Diode, svetle a dioda
USB: Universal Serial Bus, univerzalno serijsko vodilo
FTDI: Future Technology Devices Ltd., proizvajalec strojne in programske
opreme
UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzalni asinhroni
sprejemnik/oddajnik
DC/DC: Direct Current to Direct Current (converter), (pretvornik) enosmernega toka
v enosmerni tok
DLL: Dynamic Link Library, knjižnica, ki vsebuje funkcije, subrutine,
spremenljivke in objekte za eno ali ve programskih aplikacij
CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, komplementarni kovinsko
oksidni polprevodnik
AVR: Advanced Virtual Risc, napredni virtualni mikroprocesor
RISC: Reduced Instruction Set Computer, tip mikroprocesorjev z manjšim
naborom ukazov
MIPS: Million Instructions Per Second, milijon inštrukcij na sekundo
SRAM: Static Random Access Memory, stati ni naklju no dostopni pomnilnik
EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, elektri no
izbrisljivi programabilni bralni pomnilnik
A/D: Analog to Digital, analogno digitalni
JTAG: Joint Test Action Group, vmesnik za razhroš evanje mikrokrmilnikov
USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzalni
sinhrono asinhroni sprejemnik/oddajnik
HP: Hewlett-Packard Co., ameriška kooperacija, specializirana za razvoj in
izdelavo ra unalniške in programske opreme
LSB: Least Significant Bit, najmanj pomembni bit, v binarnem zapisu zmeraj na
zadnjem, najbolj desnem mestu
DAC: Digital to Analog Converter, digitalno analogni pretvornik
SMD: Surface Mounted Device, površinsko pritrjene komponente
C#: C sharp, objektno orientiran programski jezik
viii
Visual C#: Visual C sharp, objektno orientirano programsko okolje za izdelavo aplikacij
MSDN: Microsoft Developer Network, Microsoftovo razvojno omrežje
DLL: Dynamic Link Library, dinami na povezovalna knjižnica
SEZNAM PRILOG
Priloga A: Shema krmilnega sistema
Priloga B: Zgornja in spodnja stran tiskanine
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
1
1 UVOD
Eden izmed najpomembnejših loveških utov je vid. S svojimi o mi zaznavamo svetlobo
okrog nas ter z našim živ nim sistemom v možganih interpretiramo dojemanje barv
okolice, tako predmetov kot drugih živih bitij. Vsak izmed predmetov se svetlobno razli no
odziva na prejeto svetlobno vzbujanje. Za potrebe analize svetlobnega odziva na podano
svetlobno vzbujanje smo si zadali cilj zasnovati in izdelati sistem z nastavljivim svetlobnim
vzbujanjem v aditivnem RGB barvnem prostoru. RGB barvni prostor smo izbrali na rtno,
saj zaradi aditivnega svetlobnega mešanja omogo a preprost na in prikaza barv, poleg
tega pa loveško dojemanje barv deluje na zelo podoben, eprav vendarle ne povsem
identi en na in. Za izvor naše svetlobe smo izbrali RGB LED diode, katerih osnovne
barvne komponente so identi ne primarnim barvnim komponentam RGB barvnega
prostora.
Zaradi želje po im enostavnejšem in hkrati im natan nejšem upravljanju ter nastavljanju
svetlobnega vzbujanja, si naš sistem nismo zamislili samo v obliki samostojne strojne
opreme, kjer bi bilo upravljanje precej osiromašeno, temve smo sistem preko
ra unalniškega vodila USB povezali na osebni ra unalnik, ter zanj izvedli programski
vmesnik, v katerem smo implementirali možnost izbire nastavitve svetlobnega vzbujanja
za vsako barvno komponento znotraj RGB barvnega prostora posebej ali za vse hkrati
glede na skupni tok, mo in svetilnost. S povezavo našega sistema na osebni ra unalnik
smo obenem rešili tudi zagotavljanje napajanja, saj USB izhod na ra unalniku v celoti
zadosti našim energijskim potrebam, brez potrebe po dodatnem zunanjem napajanju.
Strojna oprema našega sistema skrbi za ustrezno vez med programskim vmesnikom na
osebnem ra unalniku ter krmiljenjem LED diod. Na vhodu vezja iz ra unalnika preko USB
vodila prejemamo podatke, katere moramo ustrezno pretvoriti, jih procesirati in zagotoviti
krmilne signale, ki jih pripeljemo na LED diode. Strojno opremo smo zasnovali na osnovi
vgrajenega mikrora unalniškega sistema. Mikrokrmilnik nam služi kot vhodno-izhodna
enota. Z njegovim serijskim vmesnikom sprejemamo podatke, esar pa zaradi USB vodila
ne moremo izvesti direktno, zato potrebujemo še vmesni len, komunikacijski pretvorbeni
vmesnik na osnovi integriranega vezja, ki skrbi za pretvorbo USB protokola v zaporedni
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
2
protokol. Mikrokrmilnik nam na izhodu zagotovi digitalni signal, katerega moramo s
pomo jo digitalno-analognega pretvornika pretvoriti v ustrezen analogni signal, s katerim
preko napetostno tokovnih pretvornikov krmilimo RGB LED diode. V želji po im višji
natan nosti pri nastavljanju posameznih barvnih komponent LED diod smo izbrali 16-bitni
digitalno-analogni pretvornik z dodano stabilno referen no napetostjo. Glede na dejstvo,
da nam USB ra unalniško vodilo ne zagotavlja potrebnega nivoja napetosti, katerega
potrebujemo za izhodni mo nostni del vezja, smo bili primorani v naš sistem vklju iti še
DC/DC pretvornik.
Bistvenega pomena je pravilna interpretacija želenih nastavitev. e želimo napraviti
analizo svetlobnega odziva dolo enega predmeta na nastavljeno svetlobno vzbujanje,
moramo seveda karseda natan no vedeti, kakšno svetlobno jakost posameznih barvnih
komponent smo sploh nastavili. Za meritve svetlobne jakosti uporabljamo ustrezne
instrumente, vsak od njih pa ima svojo karakteristiko ob utljivosti glede na valovno dolžino
merjene barvne komponente. e smo želeli priti do dejanske svetlobne jakosti, smo
morali izmerjene vrednosti ustrezno prera unati v skladu z ob utljivostjo našega
izbranega merilnega instrumenta.
V uvodnem poglavju so opisani osnovni svetlobni pojmi, barvna prostora RGB in CMYK
ter osnove delovanja RGB LED diod. V naslednjem poglavju je podrobno opisan razvoj
našega mikrora unalniškega sistema, torej vgrajene strojne opreme, vklju no s
podrobnejšo razlago vseh njegovih klju nih segmentov ter izdelavo tiskanega vezja. V
nadaljevanju sledi opis pripadajo e programske opreme, tako krmilnega programa za naš
izbrani mikrokrmilnik kot tudi nadzorni program na osebnem ra unalniku. Sledijo
opravljene meritve z analizo rezultatov, navedene so tudi ena be za prera unavanje
izmerjenih vrednosti svetlobne jakosti upoštevajo ob utljivost merilnega instrumenta. Na
koncu je podan zaklju ek, v katerem so strnjeni povzetki diplomske naloge in možne
nadgradnje sistema.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
3
2 SVETLOBNO VZBUJANJE
Elektromagnetno valovanje je mešanica valovanj razli nih valovnih dolžin in jakosti. Kadar
je to valovanje znotraj obsega loveške vidljivosti, torej z valovnimi dolžinami med
približno 400nm in 700nm1, se imenuje vidna svetloba. V fiziki se pojem svetloba v asih
nanaša na elektromagnetno valovanje vseh valovnih dolžin, ne glede na to, ali so loveku
vidne ali ne. Tako pojem svetloba zajema vse radijske valove, vidno svetlobo, infrarde o
svetlobo, katera ima daljše valovne dolžine od valovnih dolžin vidne svetlobe, in
ultravijoli no svetlobo, kjer so valovne dolžine krajše kot pri vidni svetlobi.
Svetlobo lahko v splošnem opišemo s tremi neodvisnimi parametri: intenziteto, frekvenco
ali valovno dolžino in polarizacijo, medtem ko je njena hitrost 299.792.458 m/s v praznem
prostoru ena izmed temeljnih naravoslovnih konstant. Intenziteta je povpre na prenesena
mo svetlobe v obmo ju ene periode vala svetlobe, merimo pa jo v enoti Watt na
kvadratni meter (W/m2). Valovna dolžina je najmanjša dolžina med ponovitvami
zna ilnosti oblike, kot so vrhovi ali prehodi skozi ni lo, v potujo em valovanju. Polarizacija
valovanja opisuje smer njegovega gibanja. Elektromagnetno valovanje je pre no
valovanje, torej opisuje smer nihanj v ravnini, ki je pravokotna na smer gibanja tega
valovanja.
Ve ina svetlobnih virov oddaja svetlobo pri razli nih valovnih dolžinah. Svetlobni spekter
beleži jakost vsake valovne dolžine.
2.1 Predstavitev barvnih prostorov
Barvne podobe nas v našem vsakodnevnem življenju spremljajo v tiskanih medijih,
televiziji, filmih ter ra unalniški grafiki. Dovzetnost ljudi za barve rezultira na interakciji
med fizi nim vzbujanjem, na fizi no vzbujanje ob utljivimi receptorji v o esni mrežnici in
živ nim sistemom možganov, kateri je odgovoren tako za komunikacijo kot tudi
interpretacijo ob utenih signalov. To dogajanje vklju uje mnoge nevronske, kognitivne in
1 Te vrednosti ne predstavljajo absolutnih mejnih vrednosti loveškega vida, temve približek
obmo ja vidnih zmožnosti celotne zemeljske populacije, znotraj katerega ve ina ljudi dobro vidi v ve ini pogojev. Glede na razli ne razprave in vire lahko obmo je variira od 380-420nm do 680-800nm.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
4
fizikalne fenomene, katere je potrebno razumeti, e želimo v popolnosti doumeti barvni
vid.
Fizikalno vzbujanje za barvo predstavlja svetloba, katera stimulira receptorje o esne
mrežnice, kar povzro i vid in dojemanje barv. Svetlobo lahko raz lenimo v spekter
monokromati nih komponent, katerih nadaljnja raz lenitev ni ve mogo a.
V o esni mrežnici loveškega o esa se nahajata dva tipa receptorjev: pali ice in epki.
Pali ice so izredno ob utljive na svetlobo, zaradi tega so uporabne za vid v slabih
svetlobnih pogojih, ob tem pa so ob utljive le na svetlobne nivoje, brez zaznavanja barv.
Pri normalnih svetlobnih pogojih se pali ice nasi ijo in ni ve ne pripomorejo k vidu.
epki nam v nasprotju z pali icami omogo ajo barvni vid. loveško oko se sestoji iz treh
razli nih tipov epkov z foto ob utljivimi pigmenti, kateri razlikujejo karakteristi no
spektralno absorpcijo, posledi no pa tudi spektralno ob utljivost.
Barvo je možno predstaviti z ve modeli, pravimo pa jim barvni prostori. Ti vselej temeljijo
na fenomenu tribarvnosti. Karakteristika tribarvnosti, ena izmed poglavitnih karakteristik
barvnega vida, trdi, da zmore neko svetlobno vzbujanje pri enakih svetlobnih pogojih
dose i identi ni odziv o esnih epkov s pomo jo samo treh svetlobnih izvorov. Tem
svetlobnim izvorom pravimo primarne barve, skupaj pa tvorijo barvni prostor in so
medsebojno neodvisne v barvni matriki.
Za potrebe prilagajanja razli nim tipom aplikacij (televizija, video oprema, ra unalniška
grafika…) so nastali razli ni tipi barvnih prostorov. Eno najpomembnejših vlog pri izbiri
ustreznega barvnega prostora ima tip operacij, ki jih moramo ali želimo izvršiti na barvno
informacijo. V nekem barvnem prostoru so lahko dolo ene operacije naravne, kar pomeni,
da jih gre lažje in hitreje izvajati. Seveda pa lahko vsako zapisano barvno informacijo iz
izvornega barvnega prostora pretvorimo v drug barvni prostor, v njem izvršimo obdelavo,
nato pa barvno informacijo pretvorimo nazaj v izvorni barvni prostor.
2.2 Barva
Definicija barve pravi, da je barva atribut vizualnega dojemanja, katerega sestavlja
kombinacija kromati ne in akromati ne vsebine. Ta atribut je možno opisati s kromati nimi
barvnimi imeni (kot so rde a, rumena, zelena, modra itd.) ali z akromati nimi barvnimi
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
5
imeni (kot so rna, siva, bela itd.) in ga kvalificiramo z nazivi (kot so temen, svetel, jasen
itd.) oziroma njihovimi kombinacijami.
Ker sama definicija barve vsebuje besedo barva, kar napravi definicijo krožno, je v izogib
zmedi potrebno dodati pripis, da je zaznavanje barve odvisno od spektralne porazdelitve
barvnega vzbujanja, strukture, oblike, velikosti in okolice vzbujevalne površine glede na
stanje adaptacije opazoval evega vizualnega sistema ter glede na doživljanje v že
obstoje i ali podobni situaciji opazovanja.
2.3 Barvni odtenek
Definicija barvnega odtenka pravi, da je barvni odtenek atribut vizualnega ob utka glede
na površino, katera izgleda podobno eni izmed zaznanih barv rde e, rumene, zelene in
modre ali kombinaciji dveh izmed teh naštetih barv. Zaznani barvi, ki vsebuje barvni
odtenek, pravimo kromati na barva, medtem ko z nazivom akromati na barva ozna imo
zaznano barvo, ki ne vsebuje barvnega odtenka. Pogosto barvni odtenek predstavimo kot
barvni krog na sliki 2.1.
Slika 2.1: Barvni krog
K tej definiciji je potrebno dodati enozna no predstavo barvnih odtenkov. Gre za rde ega,
rumenega, zelenega in modrega, izhajajo pa iz teorije nasprotnih si barv, ki pravi, da
dolo enih barvnih odtenkov nikoli ni možno zaznati skupaj. Na podlagi tega dejstva je bil
oblikovan temeljni zapis o kodiranem loveškem barvnem vidu v modro-rumen in rde e-
zelen kanal.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
6
2.4 Svetlost in svetilnost
eprav imata pojma svetlost in svetilnost zelo razli ni definiciji, se ju pogosto zamenjuje.
Svetilnost je atribut vizualnega ob utka glede na površino, katera izgleda kot da oddaja
ve ali manj svetlobe. Svetlost pa je svetilnost površine, katero ocenjujemo relativno na
svetilnost podobno osvetljene površine, katera izgleda kot da bi bila bela ali mo no
oddajna. Svetlost lahko izražajo samo sorodne barve.
Svetlost lahko tako zapišemo kot preprosto matemati no razmerje med svetilnostjo in
svetilnostjo bele. Lahko re emo, da svetilnost razumemo kot absolutno dojemanje koli ine
svetlobe vzbujanja, medtem ko se svetlost nanaša na relativno svetilnost. loveški vid v
splošnem deluje kot detektor svetlosti.
2.5 Barvitost in barvnost
Ko pridemo do definicij pojmov barvitosti in barvnosti, zapazimo izjemno podobnost z
definicijami pojmov svetilnosti in svetlosti. Barvitost je atribut vizualnega ob utka, da
zaznana barva površine izgleda bolj ali manj kromati na. Barvitost se po navadi pove a s
pove anjem osvetlitve, razen v primeru izjemno visoke svetilnosti. Barvnost je barvitost
površine, katero ocenjujemo s sorazmerjem svetilnosti podobno osvetljene površine,
katera izgleda kot da bi bila bela ali mo no oddajna. Torej lahko preprosto re emo, da gre
pri barvitosti za absolutno dojemanje, medtem ko za barvnost re emo, da je relativna. Z
barvitostjo v glavnem opišemo koli ino intenzitete barvnega odtenka. Podobno, kot je
svetlost definirana z svetilnostjo, je tudi barvnost definirana z barvitostjo. Tako lahko tudi
barvnost zapišemo kot preprosto matemati no razmerje med barvitostjo in svetilnostjo
bele.
2.6 Nasi enje
Definicija nasi enja pravi, da je nasi enje barvitost površine, katero ocenjujemo
sorazmerno z njeno svetilnostjo. e je barvnost definirana kot relativna barvitost površine
na svetilnost podobno osvetljene bele površine, je nasi enje definirano relativno z svojo
lastno svetilnostjo. Kot lahko sorodne barve izražajo barvnost, prav tako sorodne2 in
2 Sorodne barve so vidne v relaciji z ostalim barvnim vzbujanjem.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
7
nesorodne3 barve izražajo nasi enje. Nasi enje lahko tako zapišemo kot preprosto
matemati no razmerje med barvnostjo in svetlostjo. e pojma barvnosti in svetlosti
nadomestimo z predhodnima definicijama, lahko poenostavimo zapis nasi enja v
matemati no razmerje med barvitostjo in svetilnostjo. Pomembno pa je, da moramo v
primeru nesorodnih barv uporabiti prav to matemati no razmerje, ker je razmerje med
barvnostjo in svetlostjo veljavno le v primeru sorodnih barv.
2.7 Barvni prostor RGB
RGB4 barvni prostor bazira na RGB barvnem modelu, pri katerem je vsaka barva
dolo ena z aditivnem svetlobnim mešanjem treh komponent R (rde e), G (zelene) in B
(modre), vsaka od teh primarnih barv pa ima dolo eno valovno dolžino. RGB barvni
prostor predstavimo v obliki tridimenzionalnega kartezijskega koordinatnega sistema, kot
je razvidno na sliki 2.2.
Slika 2.2: RGB barvni prostor
Poljubna barva je dolo ena kot vsota vektorjev osnovnih komponent RGB, ravno zaradi
tega je RGB barvni prostor aditiven. Ni na intenzivnost vsake komponente rezultira kot
ni na svetloba oz. rna barva, medtem ko polna intenziteta vseh treh komponent pomeni
belo barvo. Kadar je intenziteta vseh treh komponent enaka, kot rezultat dobimo odtenek
sive, svetlejši ali temnejši, odvisno od intenzitete.
Kadar ima ena izmed komponent najmo nejšo intenziteto, dobimo barvni odtenek barve
osnovne komponente, torej bodisi rde ega, zelenega ali modrega, in kadar imata dve
3 Nesorodne barve so vidne v izolaciji od ostalega barvnega vzbujanja.
4 RGB: Red Green Blue, rde e zeleno moder
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
8
osnovni komponenti enako najmo nejšo intenziteto, takrat dobimo barvni odtenek
sekundarnih barv. Sekundarna barva je rezultat seštevka dveh osnovnih komponent
enake intenzitete: »cyan« v angleš ini je seštevek zelene in modre, »magenta« v
angleš ini je seštevek rde e in modre in rumena je seštevek rde e in zelene. Vsaka
izmed sekundarnih barv je komplement ene izmed osnovnih barv in kadar le-ti seštejemo,
kot rezultat dobimo belo barvo. Aditivno barvno mešanje prikazuje slika 2.3.
Slika 2.3: Aditivno barvno mešanje v RGB barvnem prostoru
RGB barvni prostor je najbolj primeren za uporabo v elektronskih sistemih, kot sta na
primer ra unalništvo in televizija, saj zaradi aditivnega svetlobnega mešanja omogo a
preprost na in prikaza barv na razli nih zaslonih. Še posebej primeren je za uporabo v
ra unalniški grafiki, saj loveško dojemanje barv deluje na zelo podoben, a vendarle ne
povsem identi en na in. Tipi ne vhodne RGB naprave so video kamere in slikovni
skenerji, medtem ko med tipi ne izhodne RGB naprave štejemo televizijske zaslone
razli nih tehnologij (katodni, LCD5, plazma itd.), ra unalniške zaslone, zaslone pametnih
telefonov in tablic ter video projektorje.
2.8 Barvni prostor CMYK
Medtem ko je pri RGB barvnem modelu bela barva seštevek vseh treh primarnih barv ter
rna rezultat popolnega manjka svetlobe, je pri CMYK6 modelu ravno nasprotno. Bela je
naravna barva podlage, rna pa nastane z kombinacijo polne intenzitete vseh osnovnih
barvnih komponent. Prav zaradi tega dejstva, je CMYK barvni model najuporabnejši v
tisku, saj tiskamo na belo podlago oz. papir. Z dodajanjem rnila na papir znižujemo, ali z
drugimi besedami povedano odštevamo svetlobo bele, zato temu modelu pravimo tudi
5 LCD: Liquid Crystal Display, zaslon z teko imi kristali 6 CMYK: Cyan Magenta Yellow Key, sinje škrlatno rumen z klju em
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
9
odštevalni model. Osnovne barvne komponente so C (sinja), M (škrlatna) in Y (rumena),
prostor pa lahko predstavimo v obliki tridimenzionalnega kartezijskega koordinatnega
sistema, kot je razvidno na sliki 2.4.
Slika 2.4: CMYK barvni prostor
V teoriji z mešanjem vseh treh komponent dobimo rno, ker pa je v praksi z uporabo rnil
samo teh treh osnovnih barv zaradi neidealnih procesnih barv prakti no nemogo e dobiti
rno, temve je rezultat umazana rjavkasta, se pri tiskanju uporablja še etrta
komponenta K ( rna), s katero zagotovimo kakovosten izpis rnine, recimo tekst. Z
mešanjem dveh osnovnih barv dobimo sekundarne barve rde o, zeleno in modro, kot je
razvidno na sliki 2.5.
Slika 2.5: Barvno mešanje v CMYK barvnem prostoru
Pretvorba iz barvnega prostora RGB v CMYK je relativno preprosta, prinaša pa dolo ene
izgube nekaterih barvnih tonov, ker sta si barvna prostora precej razli na in moramo s
štirimi osnovnimi barvami (sinja, škrlatna, rumena in rna) simulirati vse ostale tone. V
praksi se to odraža v manj nasi enih in istih barvah, medtem ko nekaterih barv v CMYK
barvnem prostoru sploh ni mogo e prikazati. Za to so še posebej ob utljive dolo ene
barve, predvsem gre za živo oranžne ali živo zelene tone, medtem ko je modra barva
manj ob utljiva, rde a pa skorajda povsem enaka.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
10
2.9 RGB LED diode
Obstaja ve na inov ustvarjanja bele svetlobe z uporabo svetle ih diod (LED7),
najpogostejša metoda pa je direktno mešanje treh (ali ve ) barv rde e, zelene in modre
(RGB), zaradi esar takšnim LED diodam pravimo ve barvne bele LED diode ali
preprosto kar RGB LED. Ker morajo biti za nastavljanje mešanja in razpršitve razli nih
barv podprte z elektronskim vezjem in ker ima po navadi vsaka izmed osnovnih barvnih
komponent rahlo druga en vzorec oddajanja svetlobe (npr. druga no spreminjanje
barvnega odtenka v odvisnosti od kota gledanja), eprav so ve inoma zgrajene kot ena
samostojna enota, jih redkokdaj uporabljamo za ustvarjanje bele svetlobe. Njihov primarni
namen je vsekakor zelo široka uporaba v vseh aplikacijah, kjer imamo potrebo po
natan nih nastavljivih barvah in barvnih odtenkov, zaradi njihove prilagodljive zmožnosti
mešanja razli nih barv.
Tipi ne valovne dolžine posameznih barvnih komponent RGB LED so: modra ~470nm,
zelena ~525nm ter rde a ~625nm. e združimo vse tri njihove posamezne spektralne
krivulje, dobimo tipi en sevalni spekter RGB LED diod kot nam ga prikazuje slika 2.6. Iz
grafa lahko razberemo, da z izbiro RGB barvnih komponent pokrijemo celotni loveški
vidni spekter. V zakup pa je potrebno vzeti, da imamo med vrhovi znižano svetilnost, kar
se precej bolj pozna med rde o in zeleno, saj se obe spektralni krivulji komajda prekrivata.
Slika 2.6: Tipi en sevalni spekter RGB LED diod
7 LED: Light Emitting Diode, svetle a dioda
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
11
Obstaja ve tipov ve barvnih LED diod in sicer dve-, tri- in štiri-barvne. Glavni kriteriji pri
izbiri ustreznega tipa so stabilnost barv, natan nost prikazanih barv in svetlobni izkoristek.
Velikokrat ve ji svetlobni izkoristek zniža natan nost prikazanih barv, zato moramo izbrati
kompromis med obema karakteristikama. Na primer, dvobarvne LED imajo najvišji
svetlobni izkoristek (>120lm/W), vendar najslabšo natan nost prikazanih barv. Pri
štiribarvnih LED je situacija ravno obratna, medtem ko so tribarvne LED ravno nekje
vmes. Izbiro torej igra namen izbrane aplikacije.
Poznamo dve razli ni izvedbi tribarvnih RGB LED, izvedbo z skupno katodo ter izvedbo s
skupno anodo. Princip vezave prikazuje slika 2.7.
Slika 2.7: RGB LED s skupno katodo (levo) in skupno anodo (desno)
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
12
3 VGRAJEN SISTEM
Izdelali smo sistem, ki omogo a nastavljanje svetlobnega vzbujanja v aditivnem RGB
barvnem prostoru za potrebe analize svetlobnega odzivanja na dano svetlobno vzbujanje.
Sistem je sestavljen iz vgrajene strojne in programske opreme, ki omogo a programsko
nastavljivo svetlobno vzbujanje na osnovi RGB LED diod ter nadzorne programske
opreme za osebni ra unalnik. Blokovna shema sistema je prikazana na sliki 3.1.
Slika 3.1: Blokovna shema vgrajenega sistema
Strojna oprema zajema mikrora unalniški sistem, izdelan na osnovi 8-bitnega
mikrokrmilnika Atmel ATmega 16, celoten sistem pa je povezan na osebni ra unalnik
preko USB8 vodila, prek katerega je zagotovljeno tudi napajanje kompletnega sistema.
Glede na dejstvo, da je maksimalni možni tok USB ra unalniškega izhoda 500mA pri
napetosti 5V, to zadoš a za potrebe za napajanje celotnega vgrajenega sistema brez
dodatnega zunanjega napajanja. Za pretvorbo USB protokola v zaporedni (serijski)
protokol smo uporabili komunikacijski pretvorbeni vmesnik na osnovi integriranega vezja
FTDI9 FT232BL USB UART10. Z mikrokrmilnikom ATmega 16 krmilimo RGB LED diode
preko 16-bitnega digitalno-analognega pretvornika Texas Instruments DAC8555 in
napetostno tokovnih pretvornikov. Izbrali smo RGB LED diode s skupno anodo. Digitalno-
analogni pretvornik DAC8555 za svoje delovanje potrebuje stabilno referen no napetost,
katero smo zagotovili s pomo jo integriranega vezja Texas Instruments REF3233. Ker za
8 USB: Universal Serial Bus, univerzalno serijsko vodilo
9 FTDI: Future Technology Devices Ltd., proizvajalec strojne in programske opreme
10 UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzalni asinhroni sprejemnik/oddajnik
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
13
izhodni mo nostni del vezja, ki napaja RGB LED diode, potrebujemo višjo napetost kot
nam jo lahko zagotovi USB izhod na osebnem ra unalniku, smo v ta namen uporabili
DC/DC11 pretvornik PT5541, ki pretvarja napetost iz 5V na 12V.
3.1 Komunikacijski pretvorbeni vmesnik FT232BL
Za pretvorbo USB protokola v zaporedni protokol smo uporabili integrirano vezje FT232BL
USB UART in je prikazano na sliki 3.2. Spada v drugo generacijo razširjenih USB UART
pretvorbenih integriranih vezij, njegove nam pomembne poglavitne zna ilnosti pa so:
- dvosmerni USB v asinhroni serijski prenos podatkov
- podpira kompleten nabor krmilnih signalov serijskega prenosa
- skrbi za celoten USB protokol, zato ni potrebe po dodatnem specifi nem USB
strojnem programiranju
- 384 zlogovni sprejemni predpomnilnik in 128 zlogovni oddajni predpomnilnik za
visok pretok podatkov
- prosto dosegljiv DLL12 gonilnik D2XX za okolje Windows 98 ali novejši in za okolje
Linux 2.4 ali novejši
- USB 1.1 in USB 2.0 kompatibilen
11 DC/DC: Direct Current to Direct Current (converter), (pretvornik) enosmernega toka v enosmerni tok 12
DLL: Dynamic Link Library, knjižnica, ki vsebuje funkcije, subrutine, spremenljivke in objekte za eno ali ve programskih aplikacij
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
14
Slika 3.2: Ohišje in razpored priklju kov integriranega vezja FT232BL
Preostale karakteristike FT232BL, ki pa za naš sistem niso bistvenega pomena, so na
voljo v podatkovnem listu [3]. To integrirano vezje lahko uporabimo v številnih aplikacijskih
podro jih kot so na primer: USB/RS232 pretvornik, USB/RS485 pretvornik, prenos zvoka
in videa z nizkim podatkovnim pretokom preko USB, USB bralnik pametnih kartic, USB
modem, USB bralnik rtne kode.
Poenostavljeno blokovno shemo FT232BL prikazuje slika 3.3. Vsak prikazan blok na tej
shemi ima pri delovanju tega vmesnika pomembno funkcijo, za našo aplikacijo pa so
najbolj pomembni USB Transceiver, Serial Interface Engine, USB Protocol Engine, UART
FIFO Controller in UART. Med vsemi naštetimi bloki poteka dvosmerna komunikacija.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
15
Slika 3.3: Blokovna shema FT232BL USB UART
USB Transceiver – Zagotavlja fizi no povezavo vmesnika z USB kablom na ra unalnik
po standardu USB 1.1 in USB 2.0. Imamo dva vhodno/izhodna signala USB Data Signal
Plus (USBDP) in USB Data Signal Minus (USBDM).
Serial Interface Engine – Opravlja funkcijo pretvorbe USB podatkov iz paralelnega v
serijski protokol ter iz serijskega v paralelni protokol. Skladno z USB standardom 2.0
izvaja tudi vstavljanje in brisanje bitov ter generira in preverja CRC5/CRC16 na
podatkovnem toku.
USB Protocol Engine – Upravlja z nižje slojnimi zahtevami USB protokola, ki so
generirane s strani USB gostiteljskega kontrolerja, in z ukazi za nadzorovanje funkcijskih
parametrov UART vmesnika.
UART FIFO Controller – Nadzoruje pretok podatkov med Dual Port RX in TX
predpomnilniki in UART sprejemnimi in oddajnimi registri.
UART – Izvaja asinhrono 7/8 bitno pretvorbo podatkov iz paralelnega v serijski protokol in
serijskega v paralelni protokol po standardu RS232 preko vhodnega podatkovnega
signala RXD in izhodnega podatkovnega signala TXD. Vklju uje kontrolne signale RTS,
CTS, DSR, DTR, DCD in RI.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
16
Za potrebe naše aplikacije smo izvedli tipi no vezavo z napajanjem preko USB vodila.
Vmesniku ta na in vezave vsilimo z priklopom mase na priklju ek PWRCTL. Pri takšnem
na inu vezave se je potrebno držati predpisanih zahtev USB standarda:
- pri priklopu naprava ne sme prese i toka 100mA
- v mirovanju naprava ne sme prese i toka 500µA
- e naprava za svoje delovanje potrebuje ve kot 100mA, kot je to v našem
primeru, ne sme biti priklopljena na USB razdelilec
- nobena naprava ne more prese i toka 500mA
Za lažjo kontrolo sprejemanja in oddajanja podatkov smo na izhoda TXLED# in RXLED#
priklju ili LED diodi. Pri prenosu podatkov se omenjena izhoda postavita iz tri-state stanja
v nizko stanje in omogo ita, da LED diodi med prenosom zasvetita.
3.2 8-bitni mikrokrmilnik ATmega 16
Osnovno oz. glavno jedro našega vgrajenega sistema je 8-bitni mikrokrmilnik Atmel
ATmega 16 in je prikazan na sliki 3.4. ATmega 16 je nizkoenergijski 8-bitni CMOS13
mikrokrmilnik zgrajen na osnovi AVR14 RISC15 arhitekture. Sposoben je izvajati
zapletenejše ukaze v enem urinem ciklu, zaradi esar dosega do 1 MIPS16 operacij na
MHz, kar predstavlja dobro razmerje med porabo in hitrostjo. Jedro AVR združuje bogat
nabor ukazov s 32 ve namenskimi delovnimi registri. Vseh 32 registrov je neposredno
povezanih z aritmeti no logi no enoto, ki v enem ukazu v enem urinem ciklu omogo a
dostop do dveh neodvisnih registrov.
Združuje 16KB programirljivega pomnilnika Flash, 1KB SRAM-a17, 512B EEPROM-a18, 8-
kanalni 10-bitni A/D19 pretvornik, vmesnik JTAG20 in 32 programirljivih vhodno/izhodno
13 CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, komplementarni kovinsko oksidni
polprevodnik 14
AVR: Advanced Virtual Risc, napredni virtualni mikroprocesor 15
RISC: Reduced Instruction Set Computer, tip mikroprocesorjev z manjšim naborom ukazov16
MIPS: Million Instructions Per Second, milijon inštrukcij na sekundo 17
SRAM: Static Random Access Memory, stati ni naklju no dostopni pomnilnik 18
EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, elektri no izbrisljivi programabilni bralni pomnilnik 19
A/D: Analog to Digital, analogno-digitalni 20
JTAG: Joint Test Action Group, vmesnik za razhroš evanje mikrokrmilnikov
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
17
linij. Za namen našega vezja je pomembna funkcija USART21, torej da podpira
univerzalno sinhrono in asinhrono serijsko komunikacijo.
Slika 3.4: Ohišje in razpored priklju kov 8-bitnega mikrokrmilnika ATmega 16
Mikrokrmilnik ATmega 16, katerega blokovno shemo prikazuje slika 3.5, je zelo
kompleksno integrirano vezje in za potrebe tega diplomskega dela se bomo omejili le na
tiste segmente, ki so pomembni za razumevanje delovanja. Vse njegove karakteristike so
podrobno opisane v njegovem podatkovnem listu [4].
21 USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzalni sinhrono asinhroni sprejemnik/oddajnik
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
18
Slika 3.5: Blokovna shema 8-bitnega mikrokrmilnika ATmega 16
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
19
Naloga 8-bitnega mikrokrmilnika ATmega 16 v našem vezju je na vhodu sprejem
serijskega protokola iz izhoda komunikacijskega pretvorbenega vmesnika FT232BL, na
izhodu pa nam mora zagotoviti ustrezno sprocesirane podatke in kontrolne signale, ki jih
peljemo na digitalno-analogni pretvornik DAC8555. To pretvorbo izvršuje centralna
procesna enota, ki smo jo s pomo jo programskega orodja HP22 InfoTech
CodeVisionAVR C Compiler 1.24 ustrezno sprogramirali. Podrobneje o programu za
mikrokrmilnik govori podpoglavje 3.6.
Mikrokrmilnik ATmega 16 ima 4 sklope 8-bitnih dvosmernih vhodno-izhodnih linij,
imenovane Port A, Port B, Port C in Port D. Vsak od njih omogo a tudi drugotne
specifi ne funkcije. Tako je Port A lahko tudi vhod za 8-kanalni 10-bitni A/D pretvornik,
Port C ponuja funkcije vmesnika JTAG, medtem ko lahko Port D uporabimo kot asovnik
ali za serijsko komunikacijo.
Za potrebe našega vezja smo uporabili Port B za priklop signalnih linij MOSI, MISO in
SCK za programiranje za priklop programatorja. Port D smo uporabili za priklop linij RXD,
TXD, INT0 in INT1 za potrebe serijske komunikacije z komunikacijskim pretvorbenim
vmesnikom FT232BL. Port A pa je uporabljen kot 7-biten izhod za potrebe priklopa na
digitalno-analogni pretvornik DAC8555. Od teh 7 izhodnih linij smo tri uporabili za
podatkovne linije, ostale štiri pa služijo kontrolnim signalom za upravljanje digitalno-
analognega pretvornika.
3.3 Digitalno-analogni pretvornik DAC8555
Iz mikrokrmilnika ATmega 16 dobimo digitalno vrednost napetosti, katero je potrebno
pretvoriti v ekvivalentno analogno vrednost. Za to poskrbi digitalno-analogni pretvornik
Texas Instruments DAC8555, katerega blokovno shemo vidimo na sliki 3.6. Je 16 bitni,
ponuja 4 izhode, vhodne podatke pa dobiva preko serijskega vmesnika.
22 HP: Hewlett-Packard Co., ameriška kooperacija, specializirana za razvoj in izdelavo ra unalniške
in programske opreme
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
20
Slika 3.6: Blokovna shema digitalno-analognega pretvornika DAC8555
Vgrajeno ima vezje, ki ob vsakem vklopu naprave poskrbi za ponastavitev izhodnih
vrednosti na 0 ter v takšnem stanju po aka na nove sprejete podatke na vhodni liniji.
DAC8555 za svoje delovanje potrebuje stabilno referen no napetost, s katero dolo imo
obmo je izhodne napetosti vsakega izmed njegovih kanalov. Odlo ili smo se za
referen no napetost v obliki integriranega vezja Texas Instruments REF3233, katera
zagotavlja izhodno napetost 3,3V z natan nostjo 0,01%. To referen no napetost smo
pripeljali na pozitiven vhod VREFH, medtem ko smo negativen vhod VREFL priklju ili na
maso. Na ta na in smo vsem štirim kanalom digitalno-analognega pretvornika dolo ili
izhodno napetost v obmo ju med 0V in 3,3V. Ker gre za 16 bitni pretvornik z relativno
natan nostjo 4 LSB23, se lahko nadejamo natan nosti izhodne napetosti 0,8mV, kar bo za
potrebe naše diplomske naloge ve kot zadostovalo.
Digitalno-analogni pretvornik vhodne podatke prejema preko treh podatkovnih signalov
SYNC, SCLK in DIN, na in delovanja pa nastavljamo s pomo jo 4 krmilnih signalov RST,
RSTSEL, ENABLE in LDAC.
23 LSB: Least Significant Bit, najmanj pomembni bit, v binarnem zapisu zmeraj na zadnjem, najbolj desnem mestu
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
21
Vsi trije podatkovni signali so najprej speljani na Schmitt-trigger24 z namenom izlo itve
šuma iz vhodnega signala, gre pa za naslednje:
SYNC – Glavni sinhronizacijski signal vhodnih podatkov, z aktivno nizkim nivojem. Ko ta
signal postavimo na nizek nivo, le-ta omogo i vhodni pomikalni register, kateri se ob vsaki
negativni urni fronti v asu 24 urnih ciklov napolni z vhodnimi podatki (razen e se SYNC
postavi na visok nivo pred iztekom 24-tega urnega cikla, kar povzro i ignoriranje dotlej že
prebrane vhodne sekvence).
SCLK – Serijski urni cikel, navzgor omejen z frekvenco 50MHz.
DIN – Serijski podatkovni signal. Podatki se z vsako negativno urno fronto zapišejo v 24
bitni pomikalni register.
asovno sosledje vhodnih signalov pri vpisu podatkov v DAC25 prikazuje slika 3.7.
Slika 3.7: Serijski vpis vhodnih podatkov v DAC
Ker smo vhodne podatkovne in krmilne signale priklju ili direktno na izhod
programirljivega mikrokrmilnika, imamo povsem odprte roke pri nastavljanju vseh
potrebnih parametrov. Podrobneje o programu za mikrokrmilnik govori podpoglavje 4.3.
3.4 Izhodni mo nostni del vezja
Glede na dejstvo, da je maksimalni možni izhodni tok USB ra unalniškega izhoda 500mA
pri napetosti 5V, kar pomeni 2,5W mo i, so preko USB vodila zadoš ene potrebe za
napajanje našega celotnega vgrajenega sistema brez potrebe po dodatnem zunanjem
24 Schmitt-trigger je komparator z histerezo in pozitivno povratno zanko, ki vhodni analogni signal
spremeni v digitalni izhodni signal.25
DAC: Digital to Analog Converter, digitalno-analogni pretvornik
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
22
napajanju. Za ta izhodni mo nostni del vezja, ki napaja LED diode, potrebujemo višjo
napetost kot nam jo lahko zagotovi USB izhod na osebnem ra unalniku. Za dosego dviga
napetosti smo izbrali DC/DC step-up pretvornik Texas Instruments PT5541, ki 5V
enosmerno napetost na vhodu pretvori v 12V enosmerno napetost na izhodu ob 84%
izkoristku. Tako imamo zagotovljenih 2W izhodne mo i, kar povsem zadostuje potrebam
našega vgrajenega sistema.
Iz digitalno-analognega pretvornika dobimo nastavljivo napetost za vsakega izmed treh
kanalov, za potrebe krmiljenje RGB LED diod pa potrebujemo nastavljiv tok. Iz tega
razloga smo bili primorani vgraditi napetostno tokovni pretvornik, ker pa smo se odlo ili za
uporabo RGB LED diod s skupno anodo, nas to prisili v uporabo dvo-nivojskega
napetostno tokovnega pretvornika. Ker želimo krmiliti vsako barvno komponento posebej,
potrebujemo tri identi na vezja. Le-te smo izdelali s pomo jo operacijskih oja evalnikov
Texas Instruments LM324AD na prvem in TL072CD na drugem nivoju. Osnovni princip
delovanja napetostno tokovnega pretvornika na osnovi operacijskega oja evalnika
prikazuje slika 3.8. e na kratko povzamemo bistvo delovanja, vidimo da to vezje na upor
RR preslika vhodno napetost VIN, tok IR pa je dolo en z vrednostjo upora RR in se ne
spreminja v odvisnosti od napetosti VCC.
Slika 3.8: Napetostno tokovni pretvornik na osnovi operacijskega oja evalnika
Z prvim nivojem želimo vhodno napetost iz digitalno-analognega pretvornika preslikati na
upor RC, da le to peljemo na drugi nivo. Ker velja, da je IC IR, sledi, da je v primeru RC=RR
napetost na obeh uporih enaka. Drugi nivo deluje povsem na enakem principu, le da
moramo tokrat namesto NPN tranzistorja uporabiti PNP tranzistor, ravno zaradi tega pa
na vhodu operacijskega oja evalnika potrebujemo napetost na uporu RC, kar smo dosegli
z prvim nivojem. Z drugim nivojem vhodno napetost iz upora RC preslikamo na izhodni
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
23
upor, s katerim dolo imo tok skozi LED diodo. Ker smo preko obeh stopenj iz vhoda
preslikali izhodno napetost digitalno-analognega pretvornika, ki je navzgor omejena z
referen no napetostjo 3,3V, smo z izbiro izhodnega upora v vrednosti 33 dolo ili
maksimalni tok skozi diodo 100mA. S temi tremi identi nimi sklopi smo dobili linearno
nastavljiv tok za vsako barvno komponento RGB LED diod posebej, njihova svetilnost je
torej premo sorazmerna krmilnemu toku. V želji po im višji natan nosti pretvorb na obeh
nivojih napetostno tokovnega pretvornika smo izbrali vse tri upore, torej RR, RC in izhodni
upor, z 1% toleranco. Skozi upora RR in RC te e majhen elektri ni tok ranga <6mA, zato
smo uporabili SMD izvedbo, medtem ko na izhodnem uporu pri akujemo elektri ne
tokove ranga 100mA in napetosti do 3,3V, kar pomeni potrebno mo >0,33W in temu
ustrezno smo izbrali njegovo fizi no velikost.
Sestavili smo polje 25 RGB LED diod, zgrajeno na osnovi matrike 5x5 z rastrom 10mm v
obe smeri, kot ga lahko vidimo na sliki 3.9. Uporabili smo diode B5-3RGB-CBC, katere
imajo nazivne valovne dolžine 625nm za rde o, 525nm za zeleno in 470nm za modro
barvo. Posamezne barvne komponente so med seboj povezane vzporedno, kar pomeni,
da z našim vezjem hkrati enakomerno krmilimo celotno matriko LED diod. Z razlogom, da
se izognemo artefaktom direktne svetlobe in da dosežemo boljšo razpršitev svetlobe, smo
ez polje LED diod postavili prozorno steklo.
Slika 3.9: Matrika RGB LED diod
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
24
3.5 Tiskano vezje
eprav pri našem projektu nismo bili prostorsko omejeni, smo se kljub temu odlo ili, da bo
naše vezje im bolj kompaktno. To smo dosegli z uporabo SMD26 komponent, katere so
ob enaki funkcionalnosti in specifikacijah praviloma za razred do dva manjše velikosti. Ker
se omenjene komponente na tiskanino pritrdijo površinsko, njihov raster med
posameznimi priklju ki pa je v ve ini primerov ranga 1mm ali celo manjši, je posledi no
zelo oteženo ro no spajkanje, zato se vezja v SMD tehniki v ve ini primerov izdelujejo
strojno, pogoj za to pa je seveda im višja koli ina enakih vezij, da je strojni postopek
karseda rentabilen. Za potrebe našega vezja smo bili seveda pripravljeni komponente
ro no namestiti na vezje in jih spojiti. Obvezna je uporaba temperaturno nastavljivega
spajkalnika in zaradi dejstva, ker so SMD komponente mnogo bolj ob utljive na
temperaturo med spajkanjem, le-to prilagoditi na ustrezno raven, da jih med spajkanjem
ne uni imo. Pri izbiri komponent smo tako že v osnovi poleg želenih karakteristik bili
pozorni na to, e njihovi proizvajalci ponujajo tudi izvedbo v SMD tehniki. Dobili smo vse,
razen DC/DC pretvornika, kar pa je logi no, saj se le-ta med delovanjem zaradi lastne
porabe pri pretvarjanju napetosti precej greje. Zaradi odvajanja toplote je tako bolje, e je
njegova površina ve ja, dodatno pa k temu pripomore še njegova zasnova z kovinskim
ohišjem, ki je hkrati tudi hladilnik.
Ker smo tiskano vezje skonstruirali na osnovi SMD komponent, je odpadlo predhodno
sprotno testiranje s prototipno razvojno ploš o. Zaradi tega je bilo še posebej pomembno,
da smo že med samim konstruiranjem tiskanega vezja podrobno preu ili podatkovne liste
vseh uporabljenih elektronskih vezij in komponent ter upoštevali podane zahteve vsakega
od njih. Vsakršna konstrukcijska napaka bi pomenila ponovno izdelavo tiskanega vezja.
Za konstruiranje tiskanega vezja smo uporabili program Altium Designer 6.0. Gre za
izredno kompleksni program in omogo a celovito rešitev na rtovanja tiskanih vezij.
Vsebuje ve samostojnih sklopov, ki pa so med seboj tesno povezani. Njegova
kompleksnost in ogromno število razpoložljivih funkcij nepoznavalcem otežujeta delo z
njim, medtem ko profesionalni na rtovalci tiskanih vezij njegove široke zmožnosti
sprejmejo z odprtimi rokami. Mi smo si pri delu z programom pomagali z njihovimi navodili
za za etnike [5].
26 SMD: Surface Mounted Device, površinsko pritrjene komponente
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
25
Program ima vgrajeno zelo obširno knjižnico integriranih vezij in komponent, le-to pa je
možno z rednimi nadgradnjami sproti posodabljati in širiti. Za vsako izmed komponent v
knjižnici najdemo njeno shemo, njen fizi ni razpored priklju kov in tudi njen
tridimenzionalni model. Shema nam shemati no prikaže vse priklju ke izbrane
komponente. Za primer vzemimo shemo integriranega vezje FT232BL na sliki 3.10. Kot
lahko vidimo, so vsi priklju ki ozna eni tako z fizi no zaporedno številko priklju ka, kot
tudi poimensko z kratico, obenem pa imajo z puš icami ozna eno, ali gre za podatkovni
vhod vezja, izhod ali pa kombiniran vhod/izhod.
Slika 3.10: Shema integriranega vezja FT232BL
Fizi ni model z fizi nim razporedom priklju kov potrebujemo za potrebe same konstrukcije
tiskanega vezja. Kot lahko vidimo na sliki 3.11, je z rde o barvo predstavljenih vseh 32
priklju kov izbranega integriranega vezja (fizi ni model je v knjižnici seveda v naravni
velikosti 1:1, za potrebe tukajšnje predstavitve pa smo ga pove ali). Fizi ni model tudi
onemogo a prekrivanje dveh ali ve elementov. V celotnem zeleno okvirjenem podro ju
prepre uje plasiranje bodisi drugega elementa, bodisi povezave.
Slika 3.11: Podnožje integriranega vezja FT232BL
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
26
Najprej smo v sklopu »Schematic Level Design« izrisali vezje. Za potrebe našega sistema
smo izbrali standardne komponente in vsako od njih smo uspešno našli v vgrajeni
knjižnici. Najprej smo vse potrebne komponente in elemente priklicali iz knjižnice in jih
plasirali na na rt. Na osnovi proizvajal evega podatkovnega lista smo za vsak posamezni
sklop integriranega vezja skrbno poskrbeli za ustrezno priklju itev vseh potrebnih
elementov in povezav, nato pa smo med seboj glede na naše zastavljeno vezjo ustrezno
povezali še posamezne sklope v celoto. Celotni na rt oz. shemo našega vezja lahko
vidimo v Prilogi A.
Na osnovi izdelane sheme našega vezja smo v sklopu »PCB Level Design« skonstruirali
še fizi no kon no podobo tiskanega vezja. Program nam na že sam iz knjižnice prikli e
fizi ne modele posameznih komponent, naša naloga je, da jih smiselno razporedimo na
tiskanino. Na razporeditev komponent vpliva ve dejavnikov, pozorni pa moramo biti, da
med komponentami pustimo dovolj prostora za povezave, prekrivanje posameznih
komponent pa tako že v osnovi program ne dopuš a. Najkrajše povezave smo dosegli z
sosledjem med seboj povezanih komponent. Tako smo levi del tiskanine namenili
vhodnemu delu vezja, torej sklopu USB priklju ka, komunikacijskemu pretvorbenemu
vmesniku, mikrokrmilniku, digitalno-analognemu pretvorniku ter DC/DC pretvorniku. Na
levo polovico tiskanine pa smo postavili izhodni mo nostni del vezja z napetostno
tokovnimi pretvorniki ter 6 polni priklju ek za priklop RGB LED diod. Zaradi množice vseh
krmilnih in signalnih povezav bi bilo zelo zahtevno izdelati enoslojno tiskano vezje. Zaradi
križanja dolo enih povezav bi se bilo nemogo e izogniti uporabi mosti kov. Ker smo se
odlo ili za industrijsko izdelavo tiskanine, smo lahko izbrali dvoslojno konstrukcijo
tiskanine. To nam je mo no olajšalo konstruiranje povezav med elementi, saj smo za njih
lahko uporabili tako vrhnji sloj, kot preko vij tudi spodnji sloj tiskanine.
Posebno pozornost je potrebno nameniti širini povezav na tiskanini. Dolo imo jo glede na
elektri ne zahteve vezja, v zakup pa moramo vzeti tudi zahtevane oddaljenosti med
posameznimi povezavami in oddaljenost do komponent. Ve ja širina nam dovoljuje ve je
elektri ne tokove, hkrati pa zniža ohmsko upornost in induktivnost povezave. Pri signalnih
in krmilnih linijah vseh naših izbranih integriranih vezij se soo amo z nizkimi elektri nimi
tokovi ranga 10mA ali manj, zato pri njih ni potrebne nobene posebne pozornosti.
Najmanjši raster med priklju ki izmed naših izbranih integriranih vezij ima digitalno-
analogni pretvornik DAC8555 in sicer 0,65mm. Odlo ili smo se za enakomerno širino
vseh signalnih in krmilnih linij naših izbranih integriranih vezij. To pomeni, da je zgornja
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
27
meja širine ene povezave skupaj z oddaljenostjo do sosednje povezave navzgor omejena
z 0,65mm, tako da smo se odlo ili za širino 10 milsov (0,254mm). Po napajalnih linijah
mo nostnega dela našega vezja te e v primeru polne obremenitve vezja skupno 300mA,
zato smo se odlo ili za debelejše napajalne povezave izhodnega mo nostnega dela vezja
in sicer 30 milsov (0,762mm).
Program Altium Designer sicer omogo a tako imenovano »Auto Route« funkcijo, ki sama
na podlagi vnaprej izbranih kriterijev poskuša samodejno generirati povezave med
komponentami. Ta ra unalniški algoritem se iz leta v leto izpopolnjuje, a v tem trenutku še
ni izpopolnjen do te mere, da bi bil v primeru kompleksnejših vezij venomer uporaben,
zato izurjeni na rtovalci tiskanih vezij še vedno raje uporabljajo ro no postavitev. Tudi
sami smo povezave generirali ro no. Finalno skonstruirano verzijo naše dvoslojne
tiskanine lahko vidimo na sliki 3.12, kjer je zgornji sloj predstavljen z rde o, spodnji pa z
modro barvo, medtem ko lahko oba lo ena sloja tiskanine vidimo v prilogi B.
Slika 3.12: Kon na verzija skonstruirane dvoslojne tiskanine
Tiskanino smo dali izdelati v podjetje Lingva d.o.o., katero se ukvarja z industrijskim
na rtovanjem in izdelavo tiskanih vezij. Po prejemu tiskanine smo, kot že omenjeno,
ro no prispajkali vse komponente. Kon ano izdelano tiskano vezje lahko vidimo na sliki
3.13.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
28
Slika 3.13: Izdelano tiskano vezje
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
29
4 NADZORNI PROGRAM
Naše osnovno vodilo pri zasnovi našega krmilnega sistema je bila enostavnost uporabe in
možnost kasnejše programske prilagodljivosti. Z odlo itvijo, da smo naše vezje
skonstruirali na osnovi povezave z USB ra unalniškim vodilom, smo poleg tega, da smo
zaobšli potrebo po dodatnem zunanjem napajanju, tudi omogo ili uporabo našega
sistema na vsakem osebnem ra unalniku z operacijskim sistemom Windows, pa najsibo
stacionarni ali prenosni. Srce našega krmilnega sistema je 8-bitni mikrokrmilnik in e smo
želeli, da naš sistem sploh oživi, je bilo zanj potrebno spisati programsko kodo in jo s
pomo jo programatorja zapisati v EEPROM našega mikrokrmilnika. Mikrokrmilnik je samo
vmesni len med vhodnimi podatki, ki jih dobi iz osebnega ra unalnika preko USB vodila,
jih ustrezno sprocesira in na njihovi osnovi krmili digitalno-analogni pretvornik. Da bo torej
lahko mikrokrmilnik pravilno krmilil DAC, potrebuje ustrezno pripravljene vhodne podatke.
Naša naloga je tako bila, da spišemo programsko kodo za nadzorni program na osebnem
ra unalniku in le-tega funkcijsko prilagodimo programski kodi v mikrokrmilniku, da bosta
lahko preko USB vodila med seboj pravilno komunicirala.
4.1 Protokol med osebnim ra unalnikom in krmilnim vezjem
Najprej smo morali dolo iti protokol, na podlagi katerega se bosta nadzorni program in
krmilni program v mikrokrmilniku med seboj sporazumevala. Naša naloga je nastavljanje
16-bitnih vrednosti 3 kanalov digitalno-analognega pretvornika, torej potrebujemo oznako,
po kateri bomo definirali zaporedno številko kanala digitalno-analognega pretvornika.
Odlo ili smo se za rke »R«, »G« in »B« zaradi preprostejšega sledenja programski kodi,
saj te rke predstavljajo kratice vseh treh barvnih komponent RGB LED diod. Tej rkovni
oznaki sledi desetiško zapisana 16-bitna vrednost nastavljenega vzbujanja. Da bomo
lahko ponastavili digitalno-analogni pretvornik, potrebujemo še en dodatni znak. Odlo ili
smo se za rko »C« kot okrajšava za Clear, torej izbris. Tabela 4.1 prikazuje celotni
uporabljeni nabor izbranih ukazov.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
30
Tabela 4.1: Uporabljeni nabor ukazov med nadzornim in krmilnim programom
Ukaz Min
vrednost Max
vrednost Kratek opis ukaza Rxxxxx\r kjer je xxxxx 16-bitna desetiško zapisana vrednost
R00000\r R65535\r Nastavimo vrednost vzbujanja rde i barvni komponenti
Gxxxxx\r kjer je xxxxx 16-bitna desetiško zapisana vrednost
G00000\r G65535\r Nastavimo vrednost vzbujanja zeleni barvni komponenti
Bxxxxx\r kjer je xxxxx 16-bitna desetiško zapisana vrednost
B00000\r B65535\r Nastavimo vrednost vzbujanja modri barvni komponenti
C\r
Ponastavimo za etno vrednost vsem trem barvnim komponentam
Z krmilnim programom v mikrokontrolerju moramo prestre i te ukaze, jih pravilno
dešifrirati in pripraviti pravilno sosledje podatkovnih in krmilnih signalov digitalno-
analognemu krmilniku, kot je zahtevano glede na njegov podatkovni list. Pripraviti mu
moramo zaporedje 24 bitov, ki si morajo slediti v natan no dolo enemu zaporedju, glede
na podatkovni list pa so poimenovani DB23..DB0. Prva dva bita DB23 in DB22 sta
za etna bita in morata vselej biti 0. Sledita dva kontrolna bita DB21 in DB20, s katerima
se dolo i na in vpisa ali gre za enokanalni vpis ali hkratni vpis vseh kanalov. Mi želimo
nastavljati vsak kanal posebej, zato mora biti zaporedje teh dveh bitov 01. Temu sledi
tako imenovani nepomemben bit DB19, za katerega je vseeno, kakšno vrednost ima. Z
naslednjima bitoma DB18 in DB17 izberemo kanal digitalno-analognega pretvornika. 00
pomeni prvi kanal, 01 drugi kanal, 10 tretji kanal in 11 etrti kanal. Z bitom DB16 imamo
možnost nastaviti visoko izhodno impedanco. Ker tega ne potrebujemo, postavimo ta bit
vselej na 0. Vsem tem bitom na koncu sledi še 16 podatkovnih bitov DB15..DB0, kateri
prenašajo 16-bitno izbrano vrednost, na katero se naj nastavi izbrani izhod digitalno-
analognega pretvornika. Tabela 4.2 prikazuje nabor vseh 24 bitov za možnost
nastavljanja prvih treh kanalov, ki so pri nas v uporabi.
Tabela 4.2: Zaporedje 24 bitov podatkovnega signala digitalno-analognega pretvornika
DB23 DB22 DB21 DB20 DB19 DB18 DB17 DB16 DB15..DB0
0 0 0 0 X 0 0 0 podatki (16 zaporednih bitov)
0 0 0 0 X 0 1 0 podatki (16 zaporednih bitov)
0 0 0 0 X 1 0 0 podatki (16 zaporednih bitov)
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
31
4.2 Nadzorni program na osebnem ra unalniku
Najpogosteje uporabljani operacijski sistem na osebnem ra unalniku je okolje Windows in
iz tega razloga smo tudi mi naš nadzorni program zasnovali z možnostjo delovanja v tem
operacijskem sistemu, saj smo tako omogo ili priklop na kar najve je število osebnih
ra unalnikov. Obstaja ve programskih jezikov, s katerimi lahko spišemo programsko
kodo, mi pa smo se odlo ili za C#27. Takšna odlo itev je bila sprejeta na podlagi
predhodnih izkušenj z tem programskim jezikom. Mi smo za naš sistem želeli izdelati
aplikacijo, za kar smo potrebovali ustrezno programsko okolje, ki bazira na programskem
jeziku C#. Eden izmed takšnih je Microsoftov Visual C#28 iz njihove programske zbirke
Visual Studio. Programiranje zahteva dobro poznavanje programske kode in pravilnih
prijemov in postopkov, zato smo se po pomo in navodila zatekli k obširnim navodilom za
programski jezik C# [6] in Microsoftov MSDN29 [7].
Eden izmed poglavitnih razlogov za izbiro pretvorbenega vmesnika FTDI FT232BL iz USB
v serijski protokol je bil, da zraven dobimo DLL30 knjižnico FTD2XX.dll, katera
programskim aplikacijam omogo a klicanje množice USB vmesniških funkcij. Preko te
knjižnice dostopamo do njenega gonilnika FTD2XX.sys, katerega moramo namestiti na
osebni ra unalnik ob prvem priklopu našega sistema nanj. Vsak nadaljnji priklop na isti
osebni ra unalnik ne zahteva ve kakršnihkoli dodatnih nameš anj gonilnikov. Slika 4.1
prikazuje komunikacijske nivoje nadzornega programa, ki je zasnovan na osnovi FTDI
integriranih vezij in pripadajo ega FTD2XX gonilnika.
27 C#: C sharp, objektno orientiran programski jezik
28 Visual C#: Visual C sharp, objektno orientirano programsko okolje za izdelavo aplikacij
29 MSDN: Microsoft Developer Network, Microsoftovo razvojno omrežje
30 DLL: Dynamic Link Library, dinami na povezovalna knjižnica
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
32
Programska aplikacijaVisual C#
FTD2XX.DLL
FTD2XX.SYS
Sklad USB
gonilnika v okolju
Windows
FT232BL USB UART
Aplikacijska pod-koda za dostop v DLL
Vmesnik FTDI gonilnika
Windows USB vmesnik
USB fizi ni sloj
Windows USB gonilnik
Razvojna programska aplikacija
FTDI DLL knjižnica
FTDI gonilnik
FTDI USB UART pretvornik
Slika 4.1: Komunikacijski nivoji nadzornega programa, zasnovanega na osnovi FTDI
integriranega vezja
Ta DLL knjižnica že vsebuje zbrane in definirane najbolj množi ne funkcije USB
vmesnika, za potrebe našega krmilnega sistema, bomo potrebovali le najosnovnejše. Ob
zagonu našega nadzornega programa moramo seveda najprej preveriti, ali je naš krmilni
sistem sploh priklju en na USB. V ta namen smo sprogramirali pozdravni zaslon, kjer se
nam sproti izpisuje status priklopa in inicializacije našega sistema preko USB vmesnika.
e dobimo povratni odziv, da je naprava najdena, je potrebno z njo vzpostaviti povezavo.
e je ta postopek uspešen, lahko potem nadaljujemo z programom, v nasprotnem
primeru nam program javi, da ni mogel vzpostaviti povezave in se samodejno zapre.
Pozdravni zaslon prikazuje slika 4.2, je pa iz trenutka, ko je bil naš sistem že povezan, saj
vidimo, da je bila naprava najprej najdena in kasneje tudi uspešno povezana. Diagram
poteka glavnega programa lahko vidimo na sliki 4.3.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
33
Slika 4.2: Za etni pozdravni zaslon nadzornega programa
za etek
DllImport(»FTD2XX.dll«)
Application.Run(new Form2()) zaženemo pozdravni zaslon
Application.Run(new Form1())
Zaznaj_naprave()
konec
true
false
naložimo FTDI DLL knjižnico
ali najdemo priklju eno napravo?
zaženemo glavno aplikacijo
Slika 4.3: Diagram poteka glavnega programa
Z funkcijo Zaznaj_naprave(), katere diagram poteka lahko vidimo na sliki 4.4, najprej
pogledamo, e je naš krmilni sistem sploh povezan na USB vodilo osebnega ra unalnika.
e jo najdemo, vzpostavimo z njim povezavo, v nasprotnem primeru izpišemo napako in
aplikacijo zapremo.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
34
Zaznaj_naprave()
FT_Close()
funkcija FT_LISTDevices(), ki je vklju ena v DLL knjižnici
FTD2XX, vrne 1, e najde
priklju eno napravo
if FT_LISTDevices() = 1
konec
izpišemo informacijo
uporabniku
funkcija FT_Open(), ki je
vklju ena v DLL knjižnici
FTD2XX, odpre spoznavno
povezavo in vrne 0, e se z
napravo lahko poveže
izpišemo informacijo
uporabniku
izpis:
»Najdena
prikljucena USB/
RS232 naprava«
if FT_Open() = 0
izpis:
»Povezava s
prikljucenu USB/
RS232 napravo
uspesna«
izpis:
»Povezava s
prikljucenu USB/
RS232 napravo
ni uspela«
izpis:
»Najdena ni nobena
prikljucena USB/
RS232 naprava«
true
false
true
false
funkcija FT_Close(), ki je
vklju ena v DLL knjižnici
FTD2XX, zapre spoznavno
povezavo z našo napravo
Slika 4.4: Diagram poteka funkcije Zaznaj_naprave()
e je bila naša naprava najdena in uspešno povezana, se je odprlo glavno okno našega
nadzornega programa, katerega podobo prikazuje slika 4.5, skupaj z njim pa odpremo
tudi serijsko povezavo po USB vodilu z funkcijo SerialPort1Open(). Želeli smo pripraviti
uporabniku prijazno in preprosto okolje z samo tistimi informacijami in funkcijami, ki jih
uporabnik potrebuje. Okno smo v grobem razdelili na tri osnovna podro ja. Zgoraj levo
lahko izbiramo med na inom nastavljanja vzbujanja RGB LED diod našega krmilnega
sistema. Možnost neodvisno pomeni, da lahko vsem trem barvnim komponentam lo eno
nastavljamo vzbujanje. Ostali dve možnosti po toku in po spektru pa omogo ata hkratno
enakomerno nastavljanje vzbujanja vseh treh barvnih komponent, ve o tem pa malce
kasneje. Zgoraj desno imamo gumb Clear DAC za takojšnji izbris vseh vrednosti na 0,
informacijsko polje, kamor se nam zapisujejo povratni odzivi našega vezja ter gumb
Automatic, s katerim imamo možnost avtomatiziranega delovanja, da program samodejno
enakomerno po korakih v enakomernih asovnih razmikih pove uje vrednosti vzbujanja.
Ta na in je uporaben v primeru, da želimo izmeriti karakteristiko vzbujanja, saj ne
potrebujemo ro no nastavljati vrednosti, temve samo sproti od itavamo rezultate iz
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
35
merilnega inštrumenta. Je pa ta možnost na voljo samo v primeru, kadar nimamo izbrano
neodvisno nastavljanje, zato je na sliki 4.5 osen ena oz. onemogo ena. Spodnjo polovico
okna pa zasedajo trije lo eni drsniki, s katerimi nastavljamo vrednosti posameznih barvnih
komponent. Z vsakim premikom kateregakoli od teh drsnikov se posodobljeno stanje
pošlje v naš krmilni sistem. V pomo so nam izpisi trenutne vrednosti takoj pod vsakim
posameznim drsnikom. Da je lažje za uporabnika, izpisujemo vse tri vrednosti: binarno
16-bitno vrednost DAC v razponu od 0 do 65536, elektri ni krmilni tok LED diod v premo
sorazmernem razponu od 0mA do 100mA in elektri no napetost na izhodnem uporu v
premo sorazmernem razponu od 0V do 3,3V.
Slika 4.5: Nastavljanje svetlobne jakosti po posameznih barvnih komponentah
V primeru, da namesto neodvisnega nastavljanja vzbujanja izberemo eno izmed
preostalih dveh možnosti, kjer vrednost vzbujanja nastavljamo hkrati enakomerno za vse
tri barvne komponente, se nam skrijeta spodnja dva drsnika, saj bi druga e samo
povzro ala nepotrebno zmedo pri uporabniku. Nastavljanje vzbujanja po skupnem toku
pomeni, da vsem trem barvnim komponentam hkrati enakomerno spreminjamo krmilni tok
v obmo ju od 0mA do 100mA, kakšno pa v tem primeru izgleda glavno okno našega
nadzornega programa, pa lahko vidimo na sliki 4.6.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
36
Slika 4.6: Nastavljanje svetlobne jakosti glede na skupni tok
Nastavljanje vzbujanja po skupnem spektru pa pomeni, da se vsem trem komponentam
RGB LED diod hkrati enakomerno spreminja svetlobna jakost, medtem ko je krmilni tok
vseh treh barvnih komponent razli en, ustrezen prera un krmilnega toka pa smo izvedli
na podlagi rezultatov opravljenih meritev, ki jih navajamo v poglavju 5. Ker svetlobne
jakosti posameznih barvnih komponent niso linearno odvisne od krmilnega toka, ne
moremo prera una poenostaviti do te mere, da bi vzeli samo relativni faktor razlike pri
maksimalnih krmilnih tokovih. Ker se skozi celotno obmo je relativne razlike svetlobne
jakosti med barvnimi komponentami spreminjajo, smo bili primorani prera un zastaviti
tako, da bomo dobili skozi celotno obmo je enakomerno svetlobno jakost vseh treh
barvnih komponent. Najnižjo maksimalno svetlobno jakost ima modra komponenta, kar
pomeni, da smo navzgor omejeni z njeno vrednostjo. To pomeni, da nam pri modri barvni
komponenti ostaja celotno razpoložljivo obmo je krmilnega toka od 0mA do 100mA,
medtem ko moramo pri preostalih dveh barvnih komponentah tokovno obmo je ustrezno
znižati. Uporabili smo vseh 65 izmerjenih prera unanih rezultatov svetlobne jakosti vsake
izmed barvnih komponent, jih zapisali v 65 mestno številsko polje in zastavili funkciji za
ustrezni prera un 16-bitnih vrednosti DAC za rde o in zeleno barvno komponento
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
37
Preracun_svet_jakosti_R in Preracun_svet_jakosti_G. Logika in postopek je pri obeh
enak, le da operiramo z razli nimi polji vrednosti. Ker smo naše obmo je razdelili na 65
obmo ij, moramo najprej locirati, s katerega obmo ja je vrednost komponente B, nato pa
je potrebno z preprosto matemati no formulo upoštevati oba faktorja iz lociranega
obmo ja. Diagram poteka ene izmed njih predstavlja slika 4.7.
Prera un_svet_jakosti_R
if (vred_B>=binarno[lokacija-1] & vred_B<binarno[lokacija])
konec
int[ ] binarno = new int[65]int[ ] faktor_R = new int[65]int[ ] faktor_G = new int[65]int[ ] faktor_B = new int[65]int vred_B
Fill()
int lokacija=0
lokacija=lokacija+1
int vred_R=0
vred_R=faktor_B[lokacija]/faktor_R[lokacija]*vred_B
true
false
globalne spremenljivke:65 mestno polje 16-bitnih desetiških vrednosti65 mestno polje z rezulati meritev za barvo R65 mestno polje z rezulati meritev za barvo G65 mestno polje z rezulati meritev za barvo Bvred_B dobimo z nastavitvijo drsnika v aplikaciji
z funkcijo Fill() zapolnimo vsa vrednosti polj
potrebujemo spremenljivko za dolo itev lokacije vrednosti vred_B znotraj 65 mestnega polja binarnih vrednosti binarno[ ]
dokler ne najdemo prave lokacije, iš emo naprej
ali smo našli pravo lokacijo vrednosti vred_B znotraj 65 mestnega polja binarnih vrednosti binarno[ ] ?
potrebujemo spremenljivko za vrednost barve R
ena ba za prera un vred_R iz vred_B glede na pravi faktor razmerja svetlobne jakosti na locirani lokaciji
Slika 4.7: Diagram poteka funkcije Prera un_svet_jakosti_R
Program smo zasnovali tako, da ob vsaki spremembi na ina vzbujanja, najprej napravimo
ponastavitev vrednosti vseh treh barvnih komponent. To storimo z funkcijo Clear_DAC, ki
preko USB vodila s pomo jo funkcije serialPort1.Write() pošlje ukaz »C\r«, kateri za
mikrokrmilnik pomeni ponastavitev izhodnih vrednosti digitalno-analognega pretvornika.
Obenem z fizi no ponastavitvijo se na našem glavnem oknu programa ob vsaki
spremembi na ina vzbujanja prav tako vsi drsniki znova postavijo na 0 oz. v izhodiš no
stanje. Ob vsakem njihovem premiku se izvede funkcija Komunikacija, katera od ita
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
38
vrednost drsnika, e je potrebno, napravi prera un in vrednost pretvori v znakovni niz in
ga pošlje preko USB vodila v mikroprocesor. V primeru, da je izbrano neodvisno
vzbujanje, se pošlje informacija za vsak barvni kanal posebej, odvisno, kateri drsnik smo
premaknili, v primeru hkratnega enakomernega vzbujanja pa se vsaki pošlje informacija
za vse tri barvne kanale hkrati, eden za drugim. Primer komunikacije pri izbranem
enakomernem vzbujanju po skupnem spektru, kjer moramo opraviti tudi potrebna
prera una, prikazuje slika 4.8.
Slika 4.8: Diagram poteka funkcije Komunikacija
Z našim nadzornim programom nimamo samo enosmerne komunikacije z našim krmilnim
vezjem, temve od njega dobivamo tudi povratne informacije. Ob vsaki oddaji paketka z
novimi podatki prejmemo iz mikrokrmilnika v primeru uspešnega prejema, povratni »OK«,
ki se izpiše v statusni vrstici. Podatke preberemo z funkcijo SerialPort1.Read(), zažene pa
se ob prekinitvah, ko program zazna vhodne podatke na USB vodilu. V primeru zaprtja
programa neglede na trenutno nastavljeno stanje vzbujanja le-tega z funkcijo Clear_DAC
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
39
postavimo na 0, nato pa še zapremo serijsko povezavo po USB vodilu z funkcijo
SerialPort1.Close().
4.3 Krmilni program za mikrokrmilnik
Za programiranje Atmel-ovih 8-bitnih mikrokrmilnikov poleg osnovnega, procesorsko sicer
najbolj optimiziranega, a hkrati za programiranje najzapletenejšega na ina v zbirniku,
obstajajo tudi programske rešitve za programiranje v programskem jeziku C, kjer si lahko
pomagamo z že vgrajenimi knjižnicami za najpogosteje uporabljane funkcije
mikroprocesorjev. Mi smo se odlo ili za uporabo programskega paketa Codevision AVR.
Za prenos izdelanega krmilnega programa pa smo uporabili že izdelan standarden USB
programator. Krmilni program, shranjen v EEPROM našega mikrokrmilnika, se zažene
hkrati ob priklopu našega krmilnega vezja na USB, saj hkrati celotno krmilno vezje prejme
napajanje. Na za etku se nastavijo pripadajo e nastavitve protokola serijske povezave in
posamezni priklju ki izhoda iz mikrokrmilnika, ki je neposredno povezan na krmilne vhode
digitalno-analognega pretvornika. Krmilni program te e ves as v ozadju in se ne prekine
vse dokler našo krmilno vezje odklopimo iz USB vodila in mu tako vzamemo napajanje.
Vse dotlej krmilni program neprenehoma aka na prekinitve na sprejemniku serijskega
protokola USART in ob prihodu podatka, le-tega zapiše v znakovno polje rx_buffer. Glede
na naš izbrani protokol iz nadzornega programa na osebnem ra unalniku pri akujemo
znakovno polje, ki se za ne z ustrezno rko in nadaljuje z števil no vrednostjo, razen v
primeru, kadar želimo vezje ponastaviti na za etno vrednost. Pri prejetju novega paketa
podatkov torej pazimo na prvi znak. V primeru znaka »R«, »G« ali »B« prejeto vrednost iz
znakovne pretvorimo v števil no in jo z funkcijo write_dac ustrezno pretvorimo v pravilno
zaporedje izhodnih signalov. Nato pošljemo našemu nadzornemu programu na osebne
ra unalniku povraten odziv, da vemo, da so bili poslani podatki pravilno dostavljeni. V
primeru prvega prejetega znaka »C«, pa ta informacija pomeni, da želimo ponastaviti
vrednosti vseh treh kanalov digitalno-analognega pretvornika na 0. To lahko naredimo
zelo elegantno tako, da preprosto postavimo njegov krmilni signal RST na nizek nivo in ga
takoj za tem zopet vrnemo nazaj na visok nivo. Diagram potega glavnega krmilnega
programa je viden na sliki 4.9.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
40
Slika 4.9: Diagram poteka glavnega krmilnega programa
Ob zagonu smo morali pravilno nastaviti parametre za željen serijski prenos, katerih
podrobnosti prikazuje slika 4.10.
nastavitev parametrov za serijski prenos:komunikacijski parametri: 8 podatkovnih bitov, 1 stop bit, brez paritete, asinhroni prenos podatkovUSART sprejemnik in oddajnik vklopljenabaudna hitrost 115200
init_uart()
UCSRA=0x00UCSRB=0x98UCSRC=0x86UBRRH=0x00UBRRL=0x07
konec
Slika 4.10: Diagram poteka funkcije init_uart()
Ob zagonu krmilnega programa smo prav tako morali ustrezno nastaviti vse izhodne
priklju ke izhoda A na mikrokrmilniku, kateri je neposredno povezan na krmilne signale
digitalno-analognega pretvornika. To smo storili z funkcijo init_dac(), njen diagram poteka
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
41
pa prikazuje slika 4.11. Zaradi boljše preglednosti programske kode krmilnega programa
smo izhode iz mikrokrmilnika poimenovali po imenih pripadajo ih krmilnih signalov
digitalno-analognega pretvornika.
Slika 4.11: Diagram poteka funkcije init_dac()
Vsaki , ko prejmemo nov paket podatkov in se le-ta za ne z rkami »R«, »G« ali »B«,
moramo prejeto vrednost prenesti na vhod digitalno-analognega pretvornika. To storimo z
funkcijo write_dac, katere potek diagrama lahko vidimo na sliki 4.12. Zagotoviti moramo,
da se bo na podatkovno linijo DIN digitalno-analognega pretvornika preneslo vseh 24 bitov
v pravilnem vrstnem redu, kot je zahtevano po protokolu, obenem pa morajo z
podatkovno linijo ustrezno sovpadati tudi krmilne linije CLK, SYNC, RST, RSTSEL, LDAC
in ENABLE.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
42
Slika 4.12: Diagram poteka funkcije write_dac
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
43
5 MERITVE IN REZULTATI
Naš izdelani krmilni sistem smo preko USB vodila povezali na osebni ra unalnik ter na
njem zagnali nadzorni program. Najprej nas je zanimala odvisnost svetlobne jakosti od
nastavljene binarne vrednosti digitalno-analognega pretvornika. Da smo izolirali zunanje
vplive okolice, smo posebej za ta namen izdelali leseno škatlo v obliki kvadra. Notranjo
stran smo prebarvali z rno barvo, da smo prepre ili neželeno odbijanje svetlobe. Znotraj
škatle smo na vrhu v center zgornje ploskve pritrdili našo polje RGB LED diod. Na
sprednji strani škatle pa smo pustili odprtino dovolj veliko, da lahko z roko sežemo v
notranjost ter jo prekrili z rno zaveso. Za meritev svetlobne jakosti smo uporabili
inštrument Nieaf Instruments NI L204, katerega smo postavili v škatlo tako, da je bil
njegov senzor natanko pod poljem LED diod.
Meritev smo opravili najprej za vsako barvno komponento posebej. V nadzornem
programu smo po korakih nastavljali binarno vrednost digitalno-analognega pretvornika od
za etne vrednosti 0 proti maksimalni 16-bitni vrednosti 65535 v enakomernih korakih31 in
z inštrumentom izmerili vrednost svetlobne jakosti. Identi en postopek smo ponovili pri
vseh treh barvnih komponentah. Na koncu smo izmerili še svetlobno jakost bele svetlobe,
torej pri hkratni enakomerni nastavitvi koraka za vse tri barvne komponente. Pri meritvah
svetlobne jakosti posameznih barvnih komponent smo morali upoštevati ob utljivost
merilnega inštrumenta glede na valovno dolžino merjene barvne komponente. Merilni
inštrument ima sebi lastno odvisnost relativne ob utljivosti v odvisnosti od valovne dolžine
svetlobe. Vidimo jo lahko na sliki 5.1. Razberemo lahko, da ima inštrument najvišjo
ob utljivost pri valovni dolžini 550nm, višje in nižje od te vrednosti pa njegova ob utljivost
strmo pada. Na podlagi vgrajenih LED diod so nam poznane valovne dolžine vseh treh
barvnih komponent, za njih moramo iz grafa od itati vrednost relativne ob utljivosti.
31 Zaradi želje po im višji natan nosti meritev smo za korak izbrali bitno vrednost 1024. Za potrebe izrisa grafov smo upoštevali vseh 65 korakov, medtem ko smo tabelari no zaradi preglednosti vzeli samo vsak etrti korak.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
44
Slika 5.1: Graf relativne ob utljivosti v odvisnosti od valovne dolžine merilnega
inštrumenta NI L204
Vidimo, da je relativna ob utljivost rde e barvne komponente naših RGB LED diod 37%,
zelene 74% in modre 7,5%. To pomeni, da moramo izmerjene vrednosti svetlobne jakosti
ustrezno prera unati, da dobimo dejanske vrednosti svetlobne jakosti. Iz tega sledi, da
moramo izmerjene rezultate za rde o barvno komponento pomnožiti z 0,37, za zeleno z
0,74 ter za modro z 0,075. V tabeli 5.1 lahko vidimo izmerjene in prera unane vrednosti
svetlobne jakosti v odvisnosti od binarne vrednosti digitalno-analognega pretvornika.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
45
Tabela 5.1: Izmerjene in prera unane vrednosti svetlobne jakosti v odvisnosti od binarne
vrednosti digitalno-analognega pretvornika
Binarna vrednost
Osvetljenost [lux]
Izmerjene vrednosti Prera unano glede na ob utljivost
merilnika
R rde a
G zelena
B modra
WHITE skupni tok
R rde a
G zelena
B modra
0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,04095 5,8 37,8 1,6 44,8 15,7 51,1 21,38191 14,9 79,6 3,7 97,3 40,3 107,6 49,3
12287 25,1 120,2 5,8 149,8 67,8 162,4 77,316383 36,0 159,4 7,8 200,0 97,3 215,4 104,020479 47,3 197,1 9,9 250,0 127,8 266,4 132,024575 59,0 232,0 12,0 299,0 159,5 313,5 160,028671 70,9 267,0 14,0 347,0 191,6 360,8 186,732767 82,9 301,0 16,0 395,0 224,1 406,8 213,336863 95,1 334,0 18,0 441,0 257,0 451,4 240,040959 107,4 367,0 19,9 487,0 290,3 495,9 265,345055 119,8 398,0 21,9 531,0 323,8 537,8 292,049151 132,3 429,0 23,8 575,0 357,6 579,7 317,353247 144,8 459,0 25,7 618,0 391,4 620,3 342,757343 157,3 489,0 27,6 659,0 425,1 660,8 368,061439 169,8 518,0 29,4 700,0 458,9 700,0 392,065535 182,0 537,0 30,9 735,0 491,9 725,7 412,0
Na podlagi prera unanih vrednosti svetlobne jakosti iz tabele 5.1 smo izrisali graf
odvisnosti svetlobne jakosti od nastavljene binarne vrednosti digitalno-analognega
pretvornika, ki ga lahko vidimo na sliki 5.3. Iz grafa lahko razberemo, da smo se z
zasnovo našega krmilnega sistema precej približali linearni odvisnosti svetlobne jakosti.
Druga ugotovitev je, da z modro barvo dosežemo najnižji nivo svetlobne jakosti. Pri rde i
barvi je le-ta za 19% višja, medtem ko je pri zeleni barvi kar za 76% višja, e se omejimo
na primerjavo pri maksimalni vhodni vrednosti. Ti dobljeni rezultati nam služijo za osnovo
prera unavanja v našem nadzornem programu na osebnem ra unalniku v primeru, kadar
želimo RGB LED diode krmiliti po na inu enake svetlobne jakosti vseh treh barvnih
komponent.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
46
Slika 5.2: Graf odvisnosti svetlobne jakosti od binarne vrednosti digitalno-analognega
pretvornika
Želeli smo še izmeriti vrednosti napetosti na LED diodah in napetosti na izhodnih uporih
našega vezja v odvisnosti od binarne vrednosti digitalno-analognega pretvornika. V
nadzornem programu smo po korakih nastavljali binarno vrednost digitalno-analognega
pretvornika od za etne vrednosti 0 proti maksimalni 16-bitni vrednosti 65535 v
enakomernih korakih za vsako barvno komponento posebej in z digitalnim univerzalnim
merilnikom izmerili vrednost napetosti. Dobljene rezultate lahko vidimo v tabeli 5.2. Na
osnovi izmerjenih vrednosti smo izrisali oba grafa napetosti.
0
100
200
300
400
500
600
700
800sv
etlo
bna ja
kost
[lum
]
binarna vrednost
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
47
Tabela 5.2: Izmerjene vrednosti napetosti na diodah in izhodnih uporih v odvisnosti od
binarne vrednosti digitalno-analognega pretvornika
Binarna vrednost
Napetost na LED diodah [V]
Napetost na izhodnih uporih [V]
R rde a
G zelena
B modra
R rde a
G zelena
B modra
0 0,160 2,265 2,298 0,000 0,000 0,0004095 1,730 2,692 2,789 0,203 0,206 0,2008191 1,769 2,760 2,857 0,408 0,412 0,406
12287 1,794 2,803 2,898 0,614 0,619 0,61116383 1,813 2,835 2,930 0,819 0,825 0,81620479 1,829 2,863 2,955 1,025 1,032 1,02224575 1,843 2,885 2,976 1,230 1,238 1,22728671 1,856 2,906 2,995 1,436 1,445 1,43232767 1,868 2,925 3,012 1,641 1,651 1,63836863 1,878 2,942 3,027 1,847 1,858 1,84340959 1,888 2,957 3,041 2,052 2,064 2,04845055 1,898 2,972 3,054 2,258 2,271 2,25449151 1,907 2,986 3,065 2,463 2,477 2,45953247 1,915 2,999 3,077 2,668 2,684 2,66457343 1,924 3,009 3,087 2,874 2,871 2,86961439 1,931 3,022 3,097 3,079 3,088 3,07565535 1,939 3,035 3,105 3,283 3,260 3,264
Iz grafa napetosti na LED diodah, katerega lahko vidimo na sliki 5.3, vidimo, da zelena in
modra LED dioda potrebujeta prakti no identi no napetost (3,0~3,1V pri maksimalni
obremenitvi), medtem ko rde a potrebuje precej nižjo napetost (~1,9V pri maksimalni
obremenitvi). Iz grafa lahko razberemo tipi no napetostno tokovno karakteristiko diode.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
48
Slika 5.3: Graf odvisnosti napetosti na diodah od krmilnega toka skozi diodo
Na sliki 5.4 lahko vidimo graf napetosti na izhodnih uporih. Z vgrajenimi napetostno
tokovnimi pretvorniki smo želeli dose i premo sorazmerno pretvorbo izhodne napetosti
digitalno-analognega pretvornika v krmilni tok LED diod, z dobljenimi rezultati pa smo
dokazali povsem linearno odvisnost napetosti na izhodnih uporih od binarne vrednosti
digitalno-analognega pretvornika, kar posledi no pomeni linearno odvisnost krmilnega
toka.
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
0 5 9 14 19 23 28 33 37 42 47 52 56 61 66 70 75 80 84 89 94 98
napeto
st n
a d
iodi [
V]
tok skozi diodo [mA]
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
49
Slika 5.4: Graf odvisnosti napetosti na izhodnih uporih od krmilnega toka skozi diodo
Predstavili smo nekaj osnovnih eksperimentalnih rezultatov meritev odziva diod. Slika 5.5
prikazuje odziv diod v normiranem histogramu za rde o r in zeleno g krominanco pri 4096
razli nih barvah ustvarjenih z LED diodami. To število kombinacij smo dosegli z
spremembo vsake posamezne barvne komponente v 16 enakomernih korakih (torej 16 x
16 x 16). Iz slike se lepo vidi, kako so bile barve razporejene po normiranem barvnem
prostoru.
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
0 5 9 14 19 23 28 33 37 42 47 52 56 61 66 70 75 80 84 89 94 98
napeto
st n
a iz
hodn
ih u
po
rih [V
]
tok skozi diodo [mA]
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
50
Slika 5.5: Odziv diod v normiranem histogramu za rde o r in zeleno g krominanco pri 4096
razli nih barvah ustvarjenih z LED diodami
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
51
6 SKLEP
Uspeli smo realizirati naš zastavljeni cilj izdelati krmilni sistem z nastavljivim svetlobnim
vzbujanjem, s katerim je mogo e nastavljati želeno svetlobno vzbujanje za vsako barvno
komponento na osnovi aditivnega barvnega mešanja znotraj RGB barvnega prostora.
Enostaven priklop na osebni ra unalnik preko standardiziranega USB vodila, neodvisnost
od dodatnega zunanjega napajanja in preprosta uporaba našega sistema s pomo jo
intuitivnega nadzornega programa na osebnem ra unalniku dokazujejo pravilnost naše
za rtane konstrukcijske ideje. Rezultat našega dela je kompakten, lahko prenosljiv sistem,
ki ga lahko kjerkoli enostavno povežemo z vsakim osebnim ra unalnikom, nanj
potrebujemo le namestiti naš nadzorni program in že lahko za nemo z uporabo.
Kot smo uspeli dokazati z meritvami, smo uspeli skonstruirati linearno odvisno krmiljenje
LED diod od odvisnosti od nastavljenih krmilnih vhodnih podatkov v našem nadzornem
programu. Naš primarni namen izdelave našega krmilnega sistema je bil izdelava za
potrebe analize svetlobnega odziva na podano svetlobno vzbujanje. e smo želeli
uporabnikom, ki bodo naš sistem uporabljali z namenom takšnih analiz, omogo iti im
ve jo fleksibilnost in možnosti nastavitev, smo morali naš nadzorni program zasnovati z
tem v mislih. Omogo ili smo nastavljanje svetlobne jakosti vseh treh barvnih komponent
posebej, združeno vseh treh hkrati glede na enak krmilni tok in združeno vseh treh hkrati
glede na enako svetlobno jakost. Komur to nebi bilo dovolj in bi si zaželel ali druga nih ali
še kompleksnejših nastavitev, pa naša programabilna zasnova krmilnega sistema na
osnovi programirljivega mikrokontrolerja veš im uporabnikom omogo a preprogramiranje
in prilagoditev lastnim željam.
Krmilni sistem za aditivno svetlobno vzbujanje
52
LITERATURA
[1] Pascale D. A Review of RGB Color Spaces. Montreal: The BabelColor Company,
2003
[2] FTD2XX Programmer's Guide. United Kingdom: Future Technology Devices
International, 2012. Dostopno na: http://www.ftdichip.com/Support/Documents/
ProgramGuides/D2XX_Programmer's_Guide(FT_000071).pdf [12.01.2014]
[3] FT232BL USB UART IC Datasheet. United Kingdom: Future Technology Devices
International, 2011. Dostopno na: http://www.ftdichip.com/Support/Documents/
DataSheets/ICs/DS_FT232BL_BQ.pdf [12.01.2014]
[4] Atmel 8-bit RISC AVR Microcontroller ATMega16 datasheet. Atmel Corporation, 2010.
Dostopno na: http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf [12.01.2014]
[5] Getting Started with PCB Design. USA: Altium Limited, 2008. Dostopno na:
http://www.altium.com/files/altiumdesigner/s08/learningguides/tu0117%20getting%
20started%20with%20pcb%20design.pdf [12.01.2014]
[6] Deitel M. H. Visual C# 2005: how to program. New Jersey: Pearson Education, 2006
[7] MSDN Developer Resources. USA: Microsoft MSDN, 2006. Dostopno na:
http://msdn2.microsoft.com/en-us/default.aspx [12.01.2014]
Priloga A – shema krmilnega vezja
Zgornji sloj tiskanine:
Spodnji sloj tiskanine: