Предисловие
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 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:
- Берем первую группу 3 байт из трех массивов и помещаем в буферы каждого цвета в столбце.
- Активируем таймер с минимальным временем задержки в 128 тактов.
- Берем следующую группу 3 байт из трех массивов и помещаем в буферы каждого цвета в столбце.
- Активируем таймер удвоенной задержкой относительно предыдущего шага.
- Повторяем выборку еще 4 раза и каждый раз удваиваем время задержки.
- 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
Плата
Чертежи в формате lay6 — скачать
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
#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.
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.
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
