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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
SISTEMA EN UN CHIP PARA CONTROLAR UNA MATRIZ DE
LEDS TRIDIMENSIONAL
Autor: García Bardera, Víctor.
Director: Muñoz Frías, José Daniel.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESÚMEN DEL PROYECTO
Hoy en día existen diferentes proyectos de control de matrices de LEDs
tanto bidimensionales como tridimensionales. Todos los proyectos tienen dos
cosas en común, por un lado existe una matriz cuyos LEDs se pretenden iluminar,
y por el otro existe un sistema de control de dichos LEDs, el cual está compuesto
por un circuito de potencia, una etapa de multiplexación y un elemento que
ejecuta instrucciones del usuario previamente programadas.
La matriz puede ser tridimensional o bidimensional, pero la mayor
diferencia entre los diversos trabajos con este tipo de matrices reside en el sistema
de control. Dicho sistema puede ser un programa que se ejecuta en un ordenador
para enviar órdenes al circuito impreso donde está la multiplexación ó también
puede estar compuesto por un microcontrolador que se añade al circuito impreso
para que ejecute el programa.
En este proyecto se pretende realizar una innovación en la parte dedicada
al control, integrando el microcontrolador y la multiplexación en un solo chip.
Para lograr esta idea se modela el circuito de control en VHDL dentro de una
FPGA. Se consigue mayor rapidez en el control ya que la multiplexación
hardware dentro de la FPGA es más rápida que la multiplexación software dentro
de un microcontrolador en una PCB.
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El circuito de control está compuesto de un microcontrolador Nios II que
necesita un software programado por el usuario para añadir valores nuevos en una
memoria Ram de doble puerto de la cual el circuito de multiplexación irá
extrayendo datos para realizar una modulación PWM en la señal de control de
cada color. Cada dirección de la memoria Ram corresponde a la fila y columna de
un LED en concreto de la matriz.
El encendido de los LEDs se realiza mediante multiplexación de filas, esto
significa que se encienden una a una las filas de la matriz realizando un barrido y
a su vez los valores de las columnas se cargan en paralelo. Para la multiplexación
se aprovecha la inercia de retención de luz de 20 ms que tiene la retina del ojo
humano. Esto significa que la multiplexación de todas las filas debe de hacerse
antes de 20 ms para evitar ver un parpadeo en los LEDs, se puede comprobar en la
simulación del circuito de control de la figura 1. Como son 9 filas, el factor de
servicio de las señales de las columnas es de 1/9. Al comienzo de la activación de
cada fila se adquieren tres datos de la Ram correspondientes a las tres columnas
de cada fila de la matriz.
Como conclusión, se puede decir que en este proyecto se ha conseguido
describir un circuito de control compuesto por un microcontrolador Nios II y una
etapa de multiplexación dentro de chip. También se ha logrado diseñar un
software para el Nios II que permite al microcontrolador rellenar infinitas veces la
memoria Ram de doble puerto con tres vectores de datos declarados e
inicializados previamente en el software. Se ha diseñado y construido una etapa
de potencia para transformar la pequeña señal aportada por la FPGA en corriente
y tensión suficiente para alimentar los LEDs de la matriz tridimensional y también
se ha diseñado y construido con mucha paciencia un cubo de LEDs. Todos estos
objetivos se han alcanzado satisfactoriamente. Además se han generado nuevas
ideas innovadoras para futuras implementaciones.
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Por último, este proyecto sirve para descubrir una nueva vía de control de
matrices de LEDs que no se había desarrollado antes.
Figura 1: Simulación del circuito de control
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SYSTEM ON A CHIP TO CONTROL A THREE-DIMENSIONAL
LED MATRIX
Nowadays, there are several control projects about two-dimensional arrays of
LEDs and three-dimensional. All projects have two things in common, on the one
hand there is a matrix whose LEDs are intended to illuminate, and in the other
hand a system of control of these LEDs, which contains a power circuit, a
multiplexing stage and a component for running users pre-programmed
instructions.
The matrix can be three-dimensional or two-dimensional, but the biggest
difference between the projects that use matrix lies in the control system. This
system can be a program running on a computer to send commands to the circuit
board where there is a multiplexing stage or can also be composed of a
microcontroller that is added to the circuit board to run the program.
This project seeks to make an innovation in the control system, integrating the
microcontroller and multiplexing in a single chip. To achieve this idea is modeled
in VHDL control circuit within the FPGA. It gets faster as the multiplexing
control hardware inside the FPGA is faster than multiplexing software within a
microcontroller on a PCB.
The control circuit consists of a Nios II microcontroller that requires a users
programmable software to add new values in a dual port RAM circuit which will
be extracting data to perform a PWM modulation to control the brightness of each
LED. Each Ram memory address corresponds to the row and column of a
particular LED array.
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The LEDs on the multiplexing is performed by rows, this means that light up one
by one the rows of the matrix sweeps and the values of the columns are loaded in
parallel. Multiplexing takes advantage of the inertia holding 20 ms light that has
the human eye's retina. This means that the multiplexing of all rows should be
done within 20 ms to avoid seeing a flashing LEDs, can be seen in the simulation
of the control circuit of Figure 2. As there are 9 rows, the service factor of the
signals of the columns is 1 / 9. At the beginning of each row activation, three data
are acquired from the Ram for the three columns of each row of the matrix.
In conclusion, we can say that this project has managed to describe a control
circuit consists of a Nios II microcontroller and a step of multiplexing within the
chip. There has also been designing software for the Nios II microcontroller that
allows the microcontroller complete infinite times the RAM dual-port with three
data vectors previously declared and initialized in the software. It is designed and
built a power circuit to transform the small signal provided by the FPGA current
and voltage sufficient to power the LEDs in the three-dimensional matrix and also
designed and very patiently built a cube of LEDs. All these objectives has been
satisfactorily achieved. There have also created new innovative ideas for future
deployments.
Finally, this project is to discover a new way to control LED arrays that had not
been developed before.
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Figure 2: Control circuit simulation
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