Прототип светодиодного табло на 262.144 комбинации цветов и 64 пикселя13.04.2016 06:06

    Хочу поделиться опытом создания светодиодного табло 8×8 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.
    Началось все с простейшей схемы управления линейкой из 8 светодиодов через LPT-порт. Следующей версией было табло 5×8 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 16 млн 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.
    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)*10,6 мкс=672 мкс. Время на один кадр из 8 столбцов — 672×8=5.4 мс, 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
3a712c04d97c427093da5fe3a1e4d38e.png


Плата


Чертежи в формате lay6 — скачать

Графика
основной модуль сторона 1
cf20928c993d4107b44c7d527a39c910.GIF

основной модуль сторона 2
c482b84ef3df4522bfb2fb58b4f118b2.GIF

модуль светодиодов (обратите внимание, что синим отмечена проволочная перемычка, соединяющая столбцы)
dad828dec0034a97aeb4668276240c2a.GIF

матрица крепления светодиодов
b808435a6eac4d28997eb0f223d208a3.GIF


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


    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


  • 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

© Geektimes