FPGA плата управления 10000 LED

Установка управляется Papilio FPGA, соединённой с другими частями системы: микрофоном и аудио входом, флэш-памятью и управляющее оборудование для светодиодных лент. Zpuino, микропроцессор с программным ядром, работающий внутри FPGA, обрабатывает большую часть логики системы. Одной из самых больших проблем является аккуратное и надежное объединение всех этих устройств.

Для пробного запуска на Apogaea, все эти компоненты были соединены проводами-перемычками и установлены на большой кусок HDPE пластика. Эта установка работала довольно хорошо для демо-установки, но была довольно громоздкой и неожиданно ломалась. Провода часто терялись или путались, и на месте Apogaea был мерцающий от электрических помех светодиодный массив.

Для того,  чтобы сделать систему надежной и имеющей пути развития, мы занялись созданием новой платы, которая объединит все внешние устройства в одном интегрированном модуле. Это новая плата расширения (или "крыло") для Papilio, предназначенная для интерактивного управления большими светодиодными массивами. Мы называем её SoundPuddle Megawing. Ее особенностями:
 - 16 каналов для управления светодиодной лентой (поддержка более 10.000 RGB светодиодов).
- сбалансированный микрофонный предусилитель с фантомное питанием 48.
- стерео AUX вход.
- Bluetooth модуль для аудио входа и контроля установки.
- MIDI вход.

Эта плата обеспечит намного более простую установку SoundPuddle, обеспечивая всё одним модулем и почти полностью исключая кабели между различными компонентами. Поскольку она может поместиться в водонепроницаемый корпус pelican, она должна быть хорошо защищена и переносима.

Самой главной задачей платы является быстрое и надежное управление светодиодами. Управляющие SPI сигналы для светодиодных лент работают на 3МГц. Это достаточно, чтобы EM шумы и AC характеристики (т.е. импеданс) платы и проводов  были согласованы. Кроме того, FPGA работает от 3.3 вольт, а светодиодные ленты от 5. Это означает, что мы должны преобразовывать сигналы от FPGA в 5 вольт, и иметь дело с электрическими шумами и импедансом.

В новой схеме управления используется буфер приемопередатчика на  SN74XXX. В этой серии есть много совместимых по выводам компонентов, которые будет работать на плате, то есть, есть варианты, какая именно микросхема находиться на плате.  На данный момент мы используем SN74LS541. Он выбран потому, что его входы имеют гистерезис, что делает цифровые сигналы более устойчивыми к аналоговым шумам. Каждая сигнальная линия содержит оконечный резистор, который помогает ослабить отражения, которые вызывают проблемы на больших скоростях.

Для установки мы используем конденсаторный микрофон, и он нуждается в фантомном питании 48В для запуска. Новая плата имеет встроенный источник фантомного питания. Она берет 5В входящие в плату, и повышает их до 48В. Большой ток не требуется, поэтому используется относительно дешевая и простая схема на основе импульсного регулятора LM5002.

Микрофон выдает сбалансированный (дифференциальный) звуковой сигнал, который должен читаться FPGA. Мы используем микросхему Maxim MAX4062 для усиления маломощного дифференциального сигнала от микрофона. FPGA использует АЦП (микросхема ADC128S102), для чтения усиленного звукового сигнала.

Кроме того, на плате есть несколько простых схем, которые позволяют АЦП читать сигналы с стерео AUX входа, динамического микрофона, а также четырех дополнительных входов.

Также на плате есть MIDI вход. Он очень простой, со стандартным оптроном (6N138) для изоляции платы от сигналов, посылаемых MIDI-устройствами. Это новая функция для SoundPuddle, которая могла бы быть прекрасной для подключения к музыкальным инструментам или компьютерам.

Еще одной новой особенностью является RN-41 Bluetooth модуль. Он имеет UART и PCM шины данных подключенные к ПЛИС. Это позволяет управлять SoundPuddle через Bluetooth (представьте, менять скорость или цветные узоры, используя телефон). Более интересно то, что SoundPuddle может реагировать на аудио, передаваемое по Bluetooth.

Кроме того, на плате также есть SPI Flash микросхема 64 Мбит чип (MX25L6445), которую FPGA может использовать для хранения данных программы. В Apogaea, мы использовали SPI Flash для хранения справочных таблиц, которые определяли цвет и яркость в зависимости от звука.

Проект полностью открытый, все необходимые файлы вы можете скачать на Github.

Оригинал статьи

Теги:

• FPGA
• Перевод