Прототип светодиодного табло на 262 144 комбинации цветов и 64 пикселя

        Хочу поделиться опытом создания светодиодного табло 8x8 пикселей, 262к комбинаций цветов (18 бит), частотой кадров 180 FPS и подключением к USB. Также готов выслушать предложения по оптимизации и доработке. В дальнейшем планирую использовать наработки для создания дисплея домашней метеостанции.

    Предисловие


        Началось все с простейшей схемы управления линейкой из 8 светодиодов через LPT-порт. Следующей версией было табло 5x8 из трехцветных светодиодов, которое также подключалось к LPT и по сути представляло собой массив из пятнадцати 8-битных буферов с дешифратором для их адресации.
        Позже, после знакомства с микроконтроллерами, задался целью создать аналогичное табло, но с подключением к USB. Изначально рассчитывал использовать только 8 цветов. Впоследствии нашел способ управления яркостью каждого диода с помощью таймера по аналогии с PWM, и после доработки программной части получился текущий девайс. Теоретически можно работать и с 16млн цветов, но обычные светодиоды не подойдут для такого режима по цветопередаче и повторимости. К тому же проблемы с цветом разных диодов уже на текущей конфигурации заметны.

    Описание работы


        В основе устройства лежит микроконтроллер PIC18F4550, работающий на частоте 48МГц. Используются встроенный USB-контроллер и готовая библиотека для работы с ним, Timer0 в режиме 8 бит, реализующий динамическую индикацию. Для хранения трех цветов в одном столбце использованы три 8-битных триггера на 74F374. Использование такого буфера позволяет сократить время отображения одного кадра в 3 раза. Примечание: Когда я выбирал буфер 74F374, не обратил внимания на разводку его ножек, а понял это только уже на монтажном стенде, поэтому пришлось существенно усложнить плату. Лучше использовать более удобные аналоги. Например, 74HC574.
        Светодиоды подключаются через ключи ULN2803 и UDN2982. Токоограничивающие сопротивления стоят только в красном канале, т.к. их напряжение питания ниже синего и зеленого. Для синего и зеленого сопротивления не установлены, т.к. достаточно падения напряжения на ключах. Примечание: Для более точной цветопередачи лучше подобрать более точные токоограничивающие сопротивления в каждый канал.
        Микроконтроллер в бесконечном цикле выполняет опрос состояния USB и, при поступлении пакета данных, в зависимости от команды, запускает/останавливает индикацию или подготавливает данные для индикации. В связи с ограничением размера одного пакета в 64 байта, данные для каждого цвета передаются отдельным пакетом в 48 байт — по 6 байт на каждый из 8 столбцов, кодирующие яркость каждого светодиода в столбце. После получения каждого пакета он копируется из памяти USB в массив своего цвета.
        После поступления команды запуска индикации МК активирует таймер в режиме 8 бит и делителем на 128. Таймер использует в качестве тактовых импульсов рабочую частоту микроконтроллера. Увеличение счетчика таймера происходит каждые 4 такта. Минимальный период таймера составляет 10,6 мкс (1/48*4*128), что примерно в 2,8 раза больше времени обработки прерывания (46 операций, против 128 отсчетов таймера).
        При переполнении таймера выполняется прерывание по высокому вектору. Обработчик прерывания отключает индикацию, выполняет обновление данных в буферах, перенося по 1 байту из каждого массива цвета согласно курсору, затем включает индикацию. Заносит новое значение в таймер из временного буфера, декрементирует курсор, сдвигает временный буфер для таймера. Если буфер таймера превысил максимальный показатель, т.е. сдвигался больше 5 раз, то буфер таймера сбрасывается в минимальное значение и сдвигается указатель выбранной колонки.
    В итоге получается следующий алгоритм динамической индикации:
    1. Берем первую группу 3 байт из трех массивов и помещаем в буферы каждого цвета в столбце.
    2. Активируем таймер с минимальным временем задержки в 128 тактов.
    3. Берем следующую группу 3 байт из трех массивов и помещаем в буферы каждого цвета в столбце.
    4. Активируем таймер удвоенной задержкой относительно предыдущего шага.
    5. Повторяем выборку еще 4 раза и каждый раз удваиваем время задержки.
    6. Сбрасываем таймер и начинаем обработку следующего столбца с п.1.

        Таким образом мы можем задать 2^6=64 варианта яркости для каждого диода в столбце. Комбинируя яркость каждого из трех базовых цветов, получаем 64*64*64=262144 цвета. Время обработки одного столбца составляет (2^6-1)*10,6мкс=672мкс. Время на один кадр из 8 столбцов — 672*8=5.4мс, что примерно соответствует 186 кадрам в секунду.

    Использованные компоненты


    • PIC18F4550 — Микроконтроллер
    • 74F374 — Триггер для хранения текущих значений столбца
    • ULN2803 — Ключ для управления катодами
    • UDN2982 — Ключ для управления анодами
    • 4-х выводные RGB светодиоды с общим катодом (можно использовать любые светодиоды)

    Схема


    Схема в формате dsn — скачать
    Графика


    Плата


    Чертежи в формате lay6 — скачать
    Графика
    основной модуль сторона 1


    основной модуль сторона 2


    модуль светодиодов (обратите внимание, что синим отмечена проволочная перемычка, соединяющая столбцы)


    матрица крепления светодиодов


    Прошивка


    Исходники и собранный HEX в MPLABX X IDE v2.30 — скачать
    Основной код
    #ifndef MAIN_C
    #define MAIN_C
    
    // Local includes
    #include "config.h"
    #include "usb.h"
    #include "HardwareProfile.h"
    #include "usb_function_hid.h"
    #include "genericHID.h"
    
    #define UdnOn           LATA&=0b11111110
    #define UdnOff          LATA|=0b00000001
    
    #define UlnOn           LATD
    #define UlnOff          LATD =0b00000000
    
    #define LineBufer       LATB
    
    #define WriteR          LATE|=0b00000001
    #define WriteG          LATE|=0b00000010
    #define WriteB          LATE|=0b00000100
    #define WriteRst        LATE =0b00000000
    
    #define Columns         8
    #define BrightLevels    6
    #define BlockSize       (Columns*BrightLevels)
    
    #define MinBright       0b11111111
    
    unsigned char cursor;
    unsigned char bright;
    unsigned char column;
    unsigned char dataR[BlockSize];
    unsigned char dataG[BlockSize];
    unsigned char dataB[BlockSize];
    
    void ProcessIO(void) {
        unsigned char temp = BlockSize + 1;
    
        // If we are not in the configured state just return
        if ((USBDeviceState < CONFIGURED_STATE) || (USBSuspendControl == 1)) return;
    
        //Check if data was received from the host.
        if (!HIDRxHandleBusy(USBOutHandle))
        {
            switch (ReceivedDataBuffer[0])
            {
                case 0x80: // get red packet
                    while (--temp) dataR[temp-1] = ReceivedDataBuffer[temp];
                    break;
    
                case 0x81: // get green packet
                    while (--temp) dataG[temp-1] = ReceivedDataBuffer[temp];
                    break;
    
                case 0x82: // get blue packet
                    while (--temp) dataB[temp-1] = ReceivedDataBuffer[temp];
                    break;
    
                case 0x90: // start
                    column = 0b00000001;
                    cursor = BlockSize;
                    bright = MinBright;
                    TMR0ON = 1;
                    SWDTEN = 0;
                    break;
    
                case 0x91: // stop
                    UdnOff;
                    UlnOff;
                    TMR0ON = 0;
                    SWDTEN = 0;
                    break;
    
                case 0x92: // power off
                    UdnOff;
                    UlnOff;
                    TMR0ON = 0;
                    SWDTEN = 0;
                    SLEEP();
                    break;
            }
    
            // Re-arm the OUT endpoint for the next packet
            USBOutHandle = HIDRxPacket(HID_EP, (BYTE*) & ReceivedDataBuffer, 64);
        }
    }
    
    void main(void)
    {
        // Set all port as digital input/output
        PCFG3   = 1;
    
        // Clear all ports
        //          76543210
        PORTA   = 0b00000000;
        PORTB   = 0b00000000;
        PORTC   = 0b00000000;
        PORTD   = 0b00000000;
        PORTE   = 0b00000000;
    
        // Configure ports (1 - inputs; 0 - outputs)
        //          76543210
        TRISA   = 0b00000000;
        TRISB   = 0b00000000;
        TRISC   = 0b00000000;
        TRISD   = 0b00000000;
        TRISE   = 0b00000000;
    
        // Configure interrupts for Timer0
        //          76543210
        INTCON  = 0b10100000;
    
        // Configure Timer0 as 8bit and 128 prescaler
        //          76543210
        T0CON   = 0b01000110;
    
        USBDeviceInit();
    
        while(1)
        {
            // Check bus status and service USB interrupts.
            USBDeviceTasks();
    
            // Application-specific tasks.
            ProcessIO();
        };
    }
    
    void interrupt tc_int() // High priority interrupt
    {
        UdnOff;
        UlnOff;
        LineBufer = dataR[cursor-1]; WriteR;
        LineBufer = dataG[cursor-1]; WriteG;
        LineBufer = dataB[cursor-1]; WriteB;
        UdnOn;
        UlnOn = column;
        WriteRst;
        TMR0L = bright;
    
        if (!--cursor) cursor = BlockSize;
    
        bright <<= 1;
        asm("BTFSS _bright, 5, 0"); asm("RLNCF _column, 1, 0");
        asm("BTFSS _bright, 5, 0"); bright = MinBright;
    
        TMR0IF = 0;
    }
    #endif
    



    Устройство в работе


        Для управления я использую плеер интернет радио, написанный на Си, в основе которого библиотека BASS.DLL. Демо с градиентом по всей доступной палитре цветов работает во время паузы, частота обновления кадров (передаваемых пакетов в устройство) — 20Гц. При проигрывании музыки работает визуализатор, использующий FFT-массив, получаемый средствами BASS.DLL, частота обновления кадров (передаваемых пакетов в устройство) в этом режиме — 29Гц.

    Градиент


    Визуализатор

    музыка: Tape Five — Soulsalicious

    Примечание: Видео снимал через стекло от солнцезащитных очков (так не видно черных точек кадровой развертки) и без матового стекла (оно мешает фокусировке). Т.к. светодиоды у меня не матовые, я сточил линзу на них и обработал гравером.

    Фото в собранном виде





    Что можно улучшить


    • заменить ключи на более быстрые (особенно это касается UDN)
    • реализовать работу с USB через прерывания
    • использовать матовые светодиоды или smd для упрощения рассеивания и смешивания света
    • в место 74F374 лучше использовать 74HC574, что значительно упростит разводку платы
    • добавить емкости к каждой схеме 74F374 для защиты от помех
    • для выборки столбцов можно использовать дешифратор 74HC138, что позволит сэкономить ножки МК
    • для удешевления схемы можно использовать светодиоды с общим анодом и использовать 3 более дешёвых ключа ULN, вместо UDN
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 26

      +1
      Это делалось из спортивного интереса или у подобной схемы есть преимущества перед массивом из WS2812+5050?
        0
        в первую очередь спортивный интерес
        само устройство я собрал несколько лет назад, но улучшил только сейчас
        перед WS2812 особых преимуществ на первый взгляд нет, если только по цене и кастомизируемости/производительности
        а у вас есть опыт работы с WS2812? заявлено 16млн цветов, интересно посмотреть, как это выглядит в живую
          +1
          Вот, запускал для пробы https://www.youtube.com/watch?v=w-08sPrO-pA
          А это уже то, ради чего покупал (снято на телефон) https://www.youtube.com/watch?v=l7EDhozF0PI
            0
            а чем управляется бегущая строка?
              0
              stm32 + hc05 (bluetooth) + приложение под андроид для смены текста, его цвета и скорости прокрутки. Все никак руки не дойдут оформить все это в корпус со встроенным dc-dc для питания от 12вольт.
                0
                на stm32 реализован знакогенератор или он помнит и выводит массив данных, а содержимое массива генерирует изначально андроид?
          0
          посмотрел цены в китае, на матрице 8х8 еще сопоставимо, но например для 32х8 уже в 1.5-2 раза дороже. но с другой стороны, и пайки меньше. по скорости работы они не уступают судя по даташиту.
          0
          Существуют похожие серийные решения в наружной рекламе. Без микроконтроллера и USB правда, только система управления на логике и массив светодиодов. Интерфейс последовательный.

          Градации серого, правда, получают там очень частым обновлением индикатора (своеобразный ШИМ поверх последовательного интерфейса).
          Модули для управления такими модулями тоже есть с разными интерфейсами (на базе микроконтроллеров или ПЛИС)
            +1
            Серийные модули для рекламы не обеспечат такую скорость.

            Но если кто захочет купить именно такие, то рекомендую сначала посмотреть цены в российских магазинах, может оказаться заметно дешевле, например раз, два.
            Есть и небольшие модули, которые можно найти в тех же магазинах или в радиодеталях.

            Контроллеры тоже есть, большей частью неуправляемые, но есть и управляемые модели, видел у Onbon, например BX-5QL, есть SDK или API.

            Тут уже вопрос цены и кастомазации.
              0
              да вроде особой разницы нет. а вот выбор у них поменьше. в основном P10
            +1
            Прикольный микроконтроллер: с поддержкой USB и в DIP-корпусе. AVR таких нет…
              +1
              32u4 — tqfp44, т.е. паяется руками легко. Большой выбор готовых кроваток, превращающий его в DIP. Да и быстро можно сделать(для нужд прототипирования) we.easyelectronics.ru/AVR/plata-perehodnik-tqfpdip-dlya-mikrokontrollerov-avr-atmega16x-atmega32x-atmegaxx4x-smk-mmk-01p1.html

              Но, честное слово — не совсем понимаю смысл DIP корпусов, вижу их применение только в прототипировании, не более того. Даже распайку SMD деталей проще делать, нежели плату вертеть «туда-сюда» в случае с выводными. Да и быстрее распаять плату на 100элементов в SMD исполнении, нежели чем в выводном.
                0
                Поддерживаю
                  0
                  честное слово — не совсем понимаю смысл DIP корпусов

                  как вариант — в нависном монтаже, когда можно обойтись без платы
                  Даже распайку SMD деталей проще делать, нежели плату вертеть «туда-сюда» в случае с выводными.

                  еще весомый плюс — нет необходимости сверлить отверстия под ножки
                    0
                    Я ужасный зануда — но навесной монтаж у меня вызывает инженерное отвращение :(… Он не выдерживает никакой критики, т.к. ни механической прочности, ни ремонтопригодности у него нет. Когда, иной раз, вижу картинки поделок на навесном монтаже с использованием ИС( а мы говорим о 44ножечном чудище в DIP, в соответствии со статьей) — меня оторопь берет, как ЭТО, можно называть вообще монтажом! ))))

                    О да… сверловка это отдельный, малопередаваемый кайф. Когда почти полностью перешел на SMD, я до сих пор с нервным тиком правого глаза вспоминаю плату декодера, где сверлил 2000+ отверстий, и запорол пару штук в конце :(…

                    P.S. Но вообще — в современных реалиях, сверлить/не сверлить — задача вообще не стоит, т.к. заказ 2х слойки, а то и 4х слойки — стоит очень вменяемых денег, которые по плечу любому хоббисту — зато на выходе и нормальная маска, и шелкография, и аккуратная металлизация межслойная, и готовый трафарет для пасты — красота! И получаешь красивое изделие на выходе, а не тот ужас, как раньше, где 2х слойная плата в домашних условиях — это был ад и мучения.
                +1
                Вы просите предложения по оптимизации.
                Сейчас у китайцев в продаже 8х8 RGB матрицы примерно по 300р. Компактно, паять самому диоды не требуется. И даже платы управления (шилды) к ним есть, но неадекватные цены.
                Для своего контроллера я присмотрел MAX7219 или даже TLC5940, т.к. последняя 4096-градации поддерживает.
                В принципе для «ардуинщиков» есть готовые аппаратные и программные решения, в том числе и массивы из таких матриц.
                  0
                  я правильно понимаю, что для организации RGB матрицы 8х8 потребуется 12 шт TLC5940 или 3 шт MAX7219?
                  когда начинал, искал подходящее что-то у MAX, но для контроллеров RGB-матриц у них цены запредельные
                    0
                    Микросхема TLC5940 может 16 ногами управлять. В матрице 32 вывода. Я думаю 2шт. будет достаточно. Хотя по цене простенький микроконтроллер подошёл бы с 40+ ногами. Но вот по току не выдержит.
                    Получается что LCD дешевле и выгоднее.
                      0
                      Микросхема TLC5940 может 16 ногами управлять

                      судя по даташиту, она умеет управлять 16 светодиодами и я не вижу варианта организации матриц.
                      Получается что LCD дешевле и выгоднее.

                      LCD тоже планируется для вывода различной информации. LED будет для циферблата и возможно каких то эффектов.
                      0
                      «или 3 шт MAX7219»
                      Эти максы рулят матрицей только в режиме вкл/выкл отдельного светодиода + 8 градаций яркости всей матрицы сразу.
                      Сейчас просто как раз на них один проект под заказ делаю, поэтому вникал в тонкости управления.
                      Но даже так, вы сможете получить на rgb матрице 7 основных цветов, что для бытового применения — более чем достаточно.
                    0
                    рукалицо…
                    AS1130
                    HT1632
                      0
                      USD 24, это перебор.
                        0
                        "Ван доллар, мистер, онли ван доллар!" (с)
                          0
                          А это вообще за гранью добра и зла
                            0
                            как выше уже написали, он не умеет RGB и яркость только для всей матрицы целиком
                        0
                        по цене они выходят дороже, но и функционально лучше.
                        только возникает вопрос, если на них собирать RGB, то как синхронизировать между собой моменты сканирования?

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое