चमकती एलईडी रिवर्स इंजीनियरिंग

सस्ते इलेक्ट्रॉनिक "मोमबत्तियाँ" हाल ही में हर जगह लगती हैं। मैंने उन पर तब तक ध्यान नहीं दिया जब तक कि मैंने यह नहीं देखा कि वे वास्तव में एक विशेष एलईडी का उपयोग करते हैं - एक एकीकृत "ब्लिंकिंग" नियंत्रक के साथ। अब यह पूरी तरह से अलग मामला है: रहस्यमय एल ई डी किसे पसंद नहीं है? आधे घंटे बाद, मैंने पहले से ही चंचल चीनी-निर्मित एल ई डी इकट्ठा किया।


बेशक, सबसे दिलचस्प सवाल यह है कि वे कैसे काम करते हैं? यह देखते हुए कि वे सचमुच कुछ सेंट की कीमत रखते हैं, किसी भी प्रकार के महंगे इलेक्ट्रॉनिक्स के अंदर नहीं हो सकते। इस संबंध में, एक और सवाल उठता है: क्या ये एलईडी वास्तव में माइक्रोकंट्रोलर पर कई "मोमबत्तियों" से भी बदतर हैं, जिनमें से सर्किट इंटरनेट पर भरे हुए हैं?


डिवाइस अपेक्षाकृत सरल है। मानक 5 मिमी के मामले में, एक एलईडी क्रिस्टल और एक माइक्रोक्रिकिट है, जो आकार में पहले की तुलना में थोड़ा बड़ा है। नियंत्रक सर्किट सकारात्मक और नकारात्मक दोनों आउटपुट से जुड़ा हुआ है। इससे जुड़ा तीसरा जम्पर एलईडी का एनोड है, जबकि कैथोड वह नकारात्मक टर्मिनल पर "बैठता है"।

ईविल मैड साइंटिस्ट ब्लॉग में हाल ही में इसी तरह की एलईडी के बारे में एक कहानी थी। यह दिखाया गया था कि अगर वे चमक में बदलाव को ध्वनि में बदलते हैं तो वे "गाते" कैसे हैं। और यह भी - एक अधिक शक्तिशाली डायोड को नियंत्रित करने के लिए उनका उपयोग कैसे करें। इस तरह की चाल इस तथ्य पर आधारित होती है कि एलईडी उस समय अधिक चालू खपत करता है जब नियंत्रक इसे तेज प्रज्वलित करता है। निमिष के साथ श्रृंखला में जुड़ा एक नियमित एलईडी, चमक में बहुत समान परिवर्तन दिखाता है। दूसरे शब्दों में, चमक के अनुपात में अतिरिक्त अवरोधक में वोल्टेज गिरता है।


यह वही है जो मैंने नियंत्रक के नियंत्रण संकेत को निकालने और तर्क विश्लेषक के लिए लाने के लिए उपयोग किया था (ऊपर चित्र देखें)। चर अवरोधक को समायोजित करके, मैंने यह सुनिश्चित किया कि विश्लेषक ने वर्तमान परिवर्तनों को "शून्य" और "वाले" के रूप में माना है, और एलईडी ने सामान्य रूप से काम किया है।


ऊपर दिया गया आरेख लगभग 1 मिनट के लिए डायोड की चमक में बदलाव को दर्शाता है, जो 1 मेगाहर्ट्ज के नमूने की दर से दर्ज किया गया है। जब एलईडी निरंतर होती है, और इसकी चमक किसी न किसी रूप में संशोधित होती है, तो ध्यान देने योग्य अंतराल होते हैं। एलईडी कभी भी लंबे समय तक बंद नहीं होती है। यह उचित है, क्योंकि एक असली मोमबत्ती भी ज्यादातर समय उज्ज्वल चमकती है, जिससे टिमटिमाते हुए कम समय के लिए चमक कम हो जाती है।


एक करीब से पता चलता है कि सिग्नल में पल्स चौड़ाई मॉडुलन है। इसका मतलब है कि हमारे पास एक डिजिटल सर्किट है, बिना किसी एनालॉग चाल के।

यह उत्सुक है कि सिग्नल आवृत्ति 440 हर्ट्ज के बारे में है, एक मानक ट्यूनिंग कांटा की तरह ( पहले ऑक्ट्स का ला नोट - लगभग। ट्रांसलेशन। )। संयोग? या क्या डेवलपर ने किसी तरह के संगीत सर्किट से जनरेटर लिया? इसलिए इन एलईडी की "संगीतमयता" के बारे में कहानियों में कुछ सच्चाई है। निरंतर चमक का प्रत्येक "फ्रेम" बिल्कुल 32 चक्र है और लगभग 72 एमएस तक रहता है। यह प्रति सेकंड 13-14 फ्रेम से मेल खाती है।

मैंने PWM सिग्नल के कर्तव्य चक्र द्वारा प्रत्येक फ्रेम में चमक को निर्धारित करने के लिए एक छोटा कार्यक्रम लिखा था। कार्यक्रम तर्क विश्लेषक से नमूनों की धारा पढ़ता है और प्रत्येक फ्रेम के लिए वास्तविक संख्याओं की एक श्रृंखला प्रदर्शित करता है।


समय के आधार पर चमक का ग्राफ कुछ विचार बताता है: चमक में परिवर्तन यादृच्छिक, असतत और एक असमान वितरण है। चमक के 16 स्तर प्रतीत होते हैं, जिनमें से सबसे कम 4 का उपयोग बहुत कम किया जाता है। 3600 में से केवल 13 ही उनके अनुरूप हैं।


हिस्टोग्राम के निर्माण से पूरी तस्वीर खुलती है: वास्तव में, चमक के केवल 12 स्तरों का उपयोग किया जाता है। बिल्कुल आधे फ्रेम में अधिकतम चमक होती है, शेष मान लगभग समान रूप से वितरित किए जाते हैं।

इसे हार्डवेयर स्तर पर कैसे लागू किया जा सकता है? यह संभावना है कि समान रूप से वितरित यादृच्छिक संख्याओं के एक जनरेटर का उपयोग किया जाता है, जिसे एक साधारण जनरेटर फ़ंक्शन के माध्यम से पारित किया जाता है। हमारे द्वारा देखे जाने वाले वितरण के लिए कम से कम 12x2 = 24 असतत स्तरों की आवश्यकता होती है। उनमें से आधे एक में प्रदर्शित होते हैं। यह बहुत दिलचस्प है, क्योंकि जनरेटर सबसे अधिक संभावना द्विआधारी संख्या पैदा करता है। सबसे तार्किक 5 बिट्स की संख्या की बिट क्षमता होगी, और यह 32 राज्य है। वितरण को बदले बिना 24 स्तरों में एक 32-स्तरीय असतत यादृच्छिक चर प्रदर्शित करना उतना आसान नहीं है जितना लगता है। यह मत भूलो कि यह एक महत्वपूर्ण योजना नहीं है, और डेवलपर के पास शायद सुंदर समाधान के लिए ज्यादा समय नहीं है। इसलिए, उसने सबसे सरल, एक प्रकार का हैक लागू किया।

मन में आने वाला एकमात्र सरल तरीका यह है कि केवल अनुचित मूल्यों को त्यागें और अगला यादृच्छिक संख्या लें। अवांछित मूल्यों को बिट मास्क द्वारा आसानी से अलग किया जा सकता है। चूंकि सर्किट सिंक्रोनस है, अगले फ्रेम के शुरू होने तक प्रयासों की केवल एक सीमित संख्या है। यदि नियंत्रक प्रयासों की निर्दिष्ट संख्या को पूरा नहीं करता है, तो यह "गलत" मान पर अटक जाएगा। चमक ग्राफ पर दुर्लभ आउटलेर याद रखें?

एक एएनएसआई-सी कार्यान्वयन इस तरह दिख सकता है:

char attempts=0; char out; while(attempts++<MAX_ATTEMPTS) { out=RAND()&0x1f; if ((out&0x0c)!=0) break; //  ,   2-  3-   } if (out>15) out=15; //       

क्या मुझे पता चल सकता है कि कितने प्रयास किए जा रहे हैं? आंकड़ों के अनुसार, सभी संख्याओं का अंश = 0.25 छोड़ दिया जाना चाहिए और पुनर्जीवित होना चाहिए। संभावना है कि "सही" संख्या को n प्रयासों में नहीं चुना जाएगा n के बराबर है।

  n=1 0,25 n=2 0,0625 n=3 0,015625 n=4 0,003906 

असामान्य रूप से कम चमक के स्तर का अनुपात 13/3600 = 0.0036 है , जो विकल्प n = 4 के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है। इस प्रकार, MAX_ATTEMPTS == 4 ।

ध्यान दें कि यदि कोई अमान्य संख्या सामने आती है तो एक सरल समाधान केवल पिछले फ्रेम से मूल्य का उपयोग करना होगा। इस विकल्प को स्वतःसंक्रमण (नीचे देखें) के आधार पर बाहर रखा जा सकता है। संभवतः सबसे सरल समाधान - पीडब्लूएम योजना को बदलना - यहां इस्तेमाल नहीं किया गया था।

पहेली का अंतिम टुकड़ा यादृच्छिक संख्या जनरेटर ही है। डिजिटल सर्किट में यादृच्छिक अनुक्रम उत्पन्न करने का एक विशिष्ट तरीका रैखिक प्रतिक्रिया के साथ पारी प्रतिक्रिया रजिस्टर का उपयोग करना है । इस तरह के रजिस्टर में एक छद्म यादृच्छिक बिट अनुक्रम उत्पन्न होता है, जिसे बाद में 2 ^x -1 क्लॉक चक्रों के बाद नहीं दोहराया जाएगा, जहां x रजिस्टर की थोड़ी गहराई है। ऐसे दृश्यों (और सामान्य रूप से अच्छे छद्म यादृच्छिक क्रम) की एक विशेषता यह है कि उनका ऑटोक्रेलेशन फ़ंक्शन केवल बिंदु 0 पर एकता के बराबर है और निर्देशांक में जो अनुक्रम की लंबाई के गुणक हैं। अन्य सभी अंतरालों में, यह शून्य है।


मैंने मूल्यों के संपूर्ण अनुक्रम के निरूपण की गणना की। आत्म-समानता 3500 फ्रेम तक नहीं पाई गई (केवल 1200 ऊपर के ग्राफ़ में दिखाई गई है), जिसका अर्थ है कि कम से कम 4 मिनट के लिए झिलमिलाहट अद्वितीय है। यह स्पष्ट नहीं है कि अनुक्रम का एक और दोहराव देखा गया था, या यदि लेखक के तर्क विश्लेषक ने केवल रिकॉर्डिंग की अनुमति नहीं दी - लगभग। ट्रांस। चूंकि प्रति फ्रेम कम से कम 5 बिट यादृच्छिक डेटा की आवश्यकता होती है (और अवांछित संख्याओं को छोड़ने के लिए तंत्र दिया जाता है - और भी अधिक), छद्म-यादृच्छिक अनुक्रम में कम से कम 17500 बिट्स की लंबाई होती है। ऐसा करने के लिए, आपको कम से कम 17, या एक वास्तविक हार्डवेयर यादृच्छिक संख्या जनरेटर के एक बिट रजिस्टर की आवश्यकता है। किसी भी मामले में, यह दिलचस्प है कि विकास पर कितना ध्यान दिया गया था ताकि झिलमिलाहट पैटर्न दोहराए न जाए।

अंत में, हम लेख की शुरुआत में पूछे गए सवालों के जवाब देंगे। चंचल एलईडी मेरी अपेक्षा से अधिक जटिल हो गई (मुझे उस पर 4 घंटे खर्च करने की उम्मीद नहीं थी)। कई माइक्रोकंट्रोलर कैंडलस्टिक कार्यान्वयन बस बिट्स को एक छद्म यादृच्छिक संख्या जनरेटर से PWM आउटपुट में फ़ीड करते हैं। एक खरीदी गई एलईडी चमक को बदलने के लिए एक ट्रिकियर एल्गोरिदम का उपयोग करती है। बेशक, एल्गोरिदम के विकास पर कुछ ध्यान दिया गया था, और एक ही समय में, लगभग सबसे छोटे संभव क्षेत्र के एक क्रिस्टल का उपयोग किया गया था। एक प्रतिशत हिस्सा व्यर्थ नहीं गया।

सबसे अच्छा झिलमिलाहट एल्गोरिदम क्या है? क्या इसमें सुधार किया जा सकता है?

जोड़: मुझे आखिरकार एक एमुलेटर लिखने का समय मिला। इस LED के व्यवहार का अनुकरण करने वाला एक ANSI-C- आधारित कार्यक्रम यहाँ है । कोड AVR के तहत लिखा गया है, लेकिन इसे किसी अन्य नियंत्रक में पोर्ट करना आसान है। जीथब रिपॉजिटरी में एलईडी रिवर्स इंजीनियरिंग प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले सभी डेटा और स्रोत कोड शामिल हैं।