Двустороннее информационное подвижное табло с функцией автоповорота изображения

В большинстве случаев устройства отображения информации являются стационарными объектами, неспособными как-либо подстраиваться под особенности расположения относительно зрителей. Интересным и эффективным решением такой проблемы может быть информационное табло, способное вращаться вокруг собственных горизонтальной и вертикальной осей. Эта идея апробирована в двусторонней светодиодной системе отображения информации с разрешением 32×32 элемента, разработанной в центре «Современные электронные элементы и технологии» (СЭЭТ) Дагестанского государственного технического университета. Структурная схема изображена на рисунке 1. Вращение системы табло осуществляются посредством двух шаговых двигателей, принципы, схемотехнические решения и алгоритмы управления которыми описаны в [1].

Рис. 1. Структурная схема светодиодной системы отображения информации

Центральным элементом в схеме является микроконтроллер, осуществляющий сбор данных с датчика положения, генерацию и передачу графической информации на табло1 и табло2. Каждое из них разделено на четыре независимо управляемых сегмента (A1–A4), которые, в свою очередь, состоят из восьми строк.
Для определения угла наклона и автоматического поворота изображения при вращении системы используется акселерометр ADXL103 производства компании Analog Devices. Выходной сигнал такого устройства пропорционален проекции вектора ускорения на оси чувствительности, что позволяет реализовать на его базе инклинометр.
Компания Analog Devices располагает широким спектром МЭМС-устройств, начиная с микрофонов и одноосевых акселерометров и заканчивая сложными блоками инерциальных измерений (IMU) с 10 степенями свободы (3-осевой акселерометр, 3-осевой гироскоп, 3-осевой магнитометр и датчик давления), предварительной обработкой сигнала и SPI-интерфейсом. В таблице 1 приведены некоторые типы акселерометров, рекомендуемых компанией для новых проектов, и их основные параметры.

Устройства с маркировкой ADXLxxx представляют собой 1/2/3-осевые акселерометры с цифровыми или аналоговыми выходами для самых разных областей применения. Акселерометры семейства iSensor ADISxxxx дополнительно оснащены разнообразными средствами предварительной обработки сигнала (например, регулировкой частоты дискретизации, цифровой фильтрации, регулировкой дрейфа нуля и т.д.). Приведенные в таблице устройства могут использоваться для измерения ускорения, вибрации, ударов, угла наклона и т.д.
Рисунок 2 поясняет на примере акселерометра ADXL337, какие выходные сигналы (Xout, Yout, Zout) наблюдаются при тех или иных входных воздействиях [2].

Рис. 2. Зависимость выходного отклика от воздействия ускорения и гравитации для ADXL337

Для того чтобы на базе такого акселерометра реализовать инклинометр, необходимо учесть следующие факторы.
1. При выборе желаемой полосы пропускания необходимо учитывать, что при ее уменьшении снижается уровень выходных шумов акселерометра и, как следствие, увеличивается точность измерения наклона. Полоса пропускания и уровень выходного шума для акселерометра ADXL103 можно определить по следующим формулам:

,

,

где CX — емкость внешнего конденсатора, образующего вместе с внутренним 32-кОм резистором RC-фильтр; N — среднеквадратичный шум; BW — полоса пропускания [3]. Так например, для полос пропускания 100 и 1 Гц среднеквадратичный шум составляет 1,4 мg и 0,14 мg, соответственно.
2. Для определения момента поворота изображения достаточно определять превышение (или уменьшение) выходного сигнала акселерометра относительно установленного порога. Если же требуется измерять угол наклона, то необходимо учитывать арксинусоидальный характер зависимости угла наклона от ускорения свободного падения, приложенного к нему.
Схема включения акселерометра ADXL103 приведена на рисунке 3. Оцифровка выходного сигнала датчика и расчет арксинуса выполняется микроконтроллером ADuC842, также осуществляющим генерацию и передачу графической информации на информационные табло.

Рис. 3. Схема включения ADXL103

В схеме конденсатор С1 ограничивает рабочий диапазон акселерометра частотой 1 Гц. Выводы DATA1…DATA8 (по выводу на каждый сегмент Ax, см. рис. 1), DATA RES, DATA CLK выделены для передачи графической информации по столбцам. Выводы COUNT RES, COUNT CLK реализуют начальную установку и тактирование строк для осуществления динамической индикации. К порту P0 подключены внешние подтягивающие резисторы R1–R8.
Обведенные пунктиром части структурной схемы (см. рис. 1), предоставляющие описанный выше интерфейс управления и обеспечивающие вывод графической информации, представлены на рисунке 4. Индикация осуществляется динамически — в каждом сегменте А1–А8 в каждый момент времени включена только одна строка из восьми. При этом информация для каждой такой строки формируется независимо на выводах DATA1–DATA8 и передается на 32-разрядную цепочку из регистров КМОП-типа CD4015 — блоки B1-B8. Тактовый сигнал и сигнал сброса DATA RES, DATA CLK для всех сегментов общий. Блоки A5–A8 — сегменты оборотной стороны табло, B5–B8 (блоки сдвиговых регистров) условно не показаны, а блоки B2–B4 показаны в уменьшенном виде. Счетчик/дешифратор CD4022, управляя транзисторными ключами IRF9540S, осуществляет последовательную активацию одной из строк в каждом сегменте.

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная блока индикации