Wygodne sterowanie macierzami LED

[deshipu]

Diody led ustawione w kratkę, czy to na płytce drukowanej, czy jako gotowy element, mogą służyć jako bardzo wygodny wyświetlacz o małej rozdzielczości. Wystarczy on do wyświetlania prostych ikon, wykresów słupkowych czy przewijającego się tekstu. No i oczywiście jest idealny do robienia prostych gier. Sterowanie takim układem jest zazwyczaj dość proste: diody łączymy po jednej stronie w wiersze, a po drugiej w kolumny, podłączamy jedne i drugie do nóżek GPIO mikrokontrolera, a następnie włączając po jednym wierszu (lub kolumnie) na pozostałych nóżkach ustawiamy stan poszczególnych kolumn (lub wierszy, odpowiednio), czekamy ułamek sekundy i przechodzimy do następnego wiersza (kolumny). Zarówno bezwładność samych diod jak i naszych oczu pozwoli nam w tej sytuacji zobaczyć cały obraz, a nie pojedyncze wiersze, jeśli tylko zrobimy to odpowiednio szybko. Zapalając diody tylko co któryś przebieg możemy nawet sterować ich jasnością. Ale niestety, kiedy przyjrzeć się temu z bliska, to jest kilka problemów:

1. diody nie powinny być zasilane bez odpowiednich rezystorów, zatem trzeba je gdzieś tam wcisnąć;
2. ze względu na zmieniającą się liczbę włączonych diod w wierszu, nie da się dobrać jednego dobrego rezystora na wiersz — należy je umieścić na kolumnach;
3. różnice między diodą ciepłą a zimną mogą nadal powodować zmiany prądu i przez to jasności diod, powodując powstawanie artefaktów;
4. mikrokontroler musi skanować wiersze bez przerwy, cały czas;
5. jeśli liczba wierszy jest zbyt duża, to nasz wyświetlacz będzie się wydawać dość przygaszony, bo każdy wiersz będzie zapalony tylko przez mały ułamek czasu całej ramki;
6. aby sterować jasnością idywidualnych diod i uniknąć migania potrzeba dość wysokiej częstotliwości odświeżania całości, aby mieć zapas na "opuszczanie" klatek dla ciemniejszych linii;
7. jeśli nasz mikrokontroler robi oprócz tego cokolwiek innego, to może to wpływać na czasy skanowania i prowadzić do dalszych artefaktów;
8. po jednym GPIO na każdy wiersz i każdą kolumnę to bardzo dużo nóżek.

Oczywiście na wszystko są rozwiązania. Diod nie musimy zasilać bezpośrednio, zamiast tego używając kluczy tranzystorowych, buforów logicznych czy specjalnych sterowników stałoprądowych. Odpadają nam wtedy rezystory i problemy z nierówną jasnością. Ponieważ diody świecą tylko ułamek czasu ramki, możemy je zasilić większym prądem niż przy ciągłym świeceniu w ten sposób pozbywając się problemu małej jasności (Ale uwaga na zatrzymanie programu, które może wtedy diody spalić!). Liczbę potrzebnych nóżek można znacząco zredukować używając multiplekserów sygnałów, dekad, rejestrów przesuwnych i tym podobnych wynalazków. Problem interferencji innych funkcji można w trywialny sposób rozwiązać używając dedykowanego mikrokontrolera komunikującego się z tym głównym tylko w celu zmiany wyświetlanego wzoru. I tak dalej. Niestety, wszystkie te rozwiązania mają jedną cechę: komplikują nam projekt i zwiększają jego koszt poprzez dodawanie coraz to nowych dodatkowych komponentów. A gdyby istniał czip robiący to wszystko za nas, w jednym opakowaniu, bez konieczności projektowania i programowania, ba, nawet bez konieczności wiedzy o połowie z tych problemów? Jak łatwo się domyślić, istnieją takie scalaki i o nich właśnie chciałem, po tym nieco przydługim wstępie, tutaj napisać.

Będę opisywał te układy, które sam znam i używałem, dodatkowo dając linki do bogatszych katalogów firm, które je wyprodukowały. Zacznijmy od zupełnej klasyki:

Maxim Integrated

Chyba najstarszym, a na pewno najbardziej rozpowszechnionym w Chińskich konstrukcjach układem tego typu jaki znam jest MAX7219 (wraz z uwspółcześnionymi wariantami). 

Może on kontrolować do 8x8 pikseli, włączając je i wyłączając (1 bit). Sterowanie jest po SPI (3 kable), ale układ posiada drugą szynę SPI do której można podłączyć kolejny taki sam, w ten sposób tworząc łańcuch — komendy można wówczas adresować do konkretnego układu, a wszystkie przed nim po prostu przekażą je dalej. Same czipy są wielkie, w postaci obudów DIP albo SO,  więc nadają się dobrze do prototypowania. Wymagany jest tylko jeden dodatkowy komponent: rezystor do ustawienia prądu diod.

Nie jest to jedyny sterownik macierzy tej firmy, lista jest naprawdę długa, ale zdecydowanie jest on najbardziej pospolity.

Holtek

Układ HT16K33 swoją popularność wśród hobbystów prawdopodobnie zawdzięcza firmie Adafruit, której "plecaki" do macierzy ledowych są teraz powszechnie klonowane.

W zależności od obudowy, możemy nim kontrolować 8x8 lub 16x8 pikseli, włączając lub wyłączając je (1 bit), a także sterując globalną jasnością (4 bity) i czasem mrugania (4 bity). Sterowanie odbywa się po I2C, a na jednej szynie możemy mieć do 8 takich samych urządzeń (w zależności od obudowy, najmniejsza nie pozwala na zmianę adresu wcale). Oprócz tego czip ten potrafi jednocześnie skanować macierz przycisków do 13x3 i robić ich debouncing. Obudowy możemy wybrać z SOP20, SOP24 and SOP28 — dosyć wielkie, ale za to łatwe do ręcznego lutowania. Oprócz obowiązkowych rezystorów podciągających na liniach szyny nie potrzebujemy dodatkowych komponentów, chyba, że musimy zmienić adres lub dodać przyciski — wtedy potrzebne będą dodatkowe rezystory i diody.

Poza tym najbardziej popularnym układem, firma Holtek dodała ostatnio do swojej oferty kilka interesujących czipów. Niestety nie udało mi się ich nigdzie znaleźć w sprzedaży.

Titan Micro Electronics

Opuśćmy na chwilę dobrze zbadane tereny i przekonajmy się do jakich innowacji zdolna jest Chińska myśl techniczna. Z czipem TM1640 spotkałem się w oficjalnym shieldzie do znanego i lubianego D1 Mini, ale można go znaleźć też w niektórych dwukolorowych modułach.

Potrafi on włączać i wyłączać (1 bit) do 16x8 pikseli. Protokół komunikacji jest dość nietypowym skrzyżowaniem SPI i I2C. Nie ma adresowania ani pinu CS, więc musimy dedykować dwie nóżki do komunikacji, ale nie jest to SPI, bo konieczne są rezystory podciągające i nadawanie start condition. Pozostaje niestety bit-bangowanie tego programowo. Obudowa to SOP28 i nie są wymagane dodatkowe komponenty, poza wspomnianymi rezystorami podciągającymi.

Poszukując informacji o protokole tego czipu natknąłem się na naprawdę bogatą ofertę tej firmy. Niestety, pomimo atrakcyjnych cen, użycie tych układów może wymagać trochę pracy detektywistycznej, bo wszystkie informacje są po Chińsku.

Integrated Silicon Solution Inc.

Produkty firmy Adafruit znowu naprowadziły mnie na ciekawego producenta.

Tym razem porozmawiajmy o współczesnych produktach. Weźmy taki IS31FL3728 (pdf), potrafiący włączać i wyłączać 8x8 pikseli (1 bit), z globalną jasnością (4 bity). Dodatkowo układ ma wejście analogowe (audio) pozwalające przygaszać wyświetlacz w rytm muzyki, albo wyświetlać słupkowy "equalizer". Komunikacja przy pomocy szyny I2C, możliwe 4 różne adresy. Obudowa QFN24, więc bez pistoletu na gorące powietrze nie ma co podchodzić, ale za to da się wszędzie wcisnąć. Dodatkowo wymaga co najmniej jednego rezystora (do ustawienia prądu) i kondensatora, oprócz tradycyjnych oporników podciągających na liniach szyny.

Albo mój ulubiony, IS31FL3733 (pdf). Ma 256 odcieni szarości (8 bitów) dla 16x12 pikseli, plus globalna jasność (8 bitów), plus sprzętowe "oddychanie" w czterech odmianach zmieniane dla indywidualnych pikseli (to znaczy każdy piksel może mrugać w jeden z 4 sposobów). Sterowanie tak jak poprzednio przez I2C, 4 możliwe adresy. Obudowa QFN48 albo minimalnie bardziej przyjazna (ale nadal trudna do lutowania) eTQFP48. Poza rezystorami podciągającymi na liniach komunikacyjnych potrzebować będziemy jeszcze jeden rezystor do ustawienia prądu.

To tylko dwa czipy z dość ciekawej oferty tej firmy. Dostępne są też czipy sterujące wyświetlaczami charlieplexowanymi.

 

Tyle wiem na dzień dzisiejszy, ale oczywiście nie jest to pełen obraz sytuacji. O wiele więcej firm robi podobne układy (na przykład nie wspomniałem nic o tych firmy Texas Instruments), a do tego cały czas pojawiają się w ofercie nowe modele (na przykład firma Holtek zapowiada 4 nowe czipy na przyszły rok). Jeśli znacie jakieś fajne układy tego typu, których nie wymieniłem, bardzo proszę o informacje w komentarzach. Sam też będę dodawał tutaj dalsze znaleziska, w miarę jak będę je testował.

[Treker (Damian Szymański)]

@deshipu, dziękuję za ciekawe zestawienie - na pewno wiele osób skorzysta. Może przeniosę ten temat do działu z Artykułami - tam chyba będzie lepiej pasował ?

[deshipu]

Oczywiście, nie byłem pewien gdzie najlepiej to umieścić.

[Treker (Damian Szymański)]

W takim razie przeniesione - zaplanuję jeszcze post na naszym Facebooku, aby więcej osób dotarło do tego tematu

[Zealota]

No to ja polecam inny ciekawy sterownik HT1632C. Również jest dostępny na chińskich portalach i kosztuje grosze.

https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/ht1632cv120.pdf

Potrafi współpracować matrycą w rozdzielczości 8x32 lub 16x24.  Można go zasilać od 3.3V do 5V.

Matryca jest odświeżana z częstotliwością 100 Hz, jasność jest sterowana PWM, a od strony mikrokontrolera mamy dostępną regulację jasności w 16 krokach. Układ posiada wyjście synchronizacyjne i może pracować w kaskadzie. Dzięki temu łatwo rozszerzymy obszar pikseli o wielokrotność wartości podanych wyżej lub też zrobimy sterowanie RGB.

Jego aplikacja jest naprawdę minimalna, sterowany jest szeregowo aczkolwiek w zmiennej organizacji bitowej od 8 do 12 bitów. Do prostych operacji wystarczy programowe "SPI",  znamionowa częstotliwość protokołu szeregowego to 1 MHz,  a optymalnym mikrokontrolerem, który można zaproponować będzie już ATmega328. Istotna jest tutaj ilość pamięci flash, bo oczywistym jest, że układ pozbawiono generatora znaków, zatem należy taki oprogramować, a to potrafi zająć każda pamięć programu.

Brać majsterkowa często korzysta z tego kontrolera, ilość projektów DIY jest ogromna:

https://www.youtube.com/results?search_query=ht1632

aczkolwiek nie zawsze łatwo o dobrze opisane, gotowe "do produkcji" projekty.

Są natomiast dostępne, gotowe moduły o niewygórowanej cenie. Jednym z ciekawszych jest JY-MCU 3208 .

Moduł taki jest w formie płytki deweloperskiej, ma wyprowadzone piny do komunikacji ISP, dodatkowo można wlutować zegar czasu rzeczywistego DS3231 oraz czujnik temperatury. Dostępne są również alternatywne firmware i dobrze, bo ten dostarczany zwykle z modułem jest o podstawowej funkcjonalności.

Bardzo popularnym urządzeniem wykorzystującym HT1632 może być oczywiście zegarek:

 

 

 

 

U samej góry zdjęcia rzeczony moduł, a poniżej projekt oparty o sterownik HT1632 i tym razem współpracujący z mikrokontrolerem z rodziny STM32F0.

Na razie tyle, ale można się spodziewać, że w przyszłości jeszcze coś dopiszę

 

 

Edytowano Listopad 8, 2018 przez Zealota

[edwi-92]

Cześć,

trochę odkopię temat. Kupiłem matryce IS31FL3766 i szukam czegoś co pomoże mi wyświetlać na takiej matrycy jakieś proste ikony ? co w stylu biblioteki u8glib. Jakieś propozycje ? Czy pozostaje tworzenie grafik w buforze i wrzucanie tego do drivera ?

[Gość]

A widziałeś to?: MD_MAX72XX