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使用BAM调制的CPLD上的LED面板的DIY控制器

前段时间，他参加了关于矩阵LED手表的DIY项目的讨论。
令我惊讶的是，步长为5毫米的古老单色8x8 LED矩阵被用作显示设备。 此外，还为它们繁育了复杂的印刷电路板，并做出了柔和的动态指示。 而这是一个现成的全彩64x32 LED面板（间距为3 mm）很早就以10到20美元的价格上市了。 这样的面板的总体种类非常大，像素间距为2至10 mm，几乎任何尺寸。

同时，在DIY设计中使用这种面板非常困难-现成的控制器要花很多钱，而且没有普通的API。 要在DIY中常用的微控制器上快速扫描面板是非常困难的。 此外，必须高精度地保持时间间隔-否则会出现明显的亮度不均。

Adafruit有很好的解决方案，但它们都非常昂贵且复杂。

经过一番思考，这个想法浮出水面-为什么不制造一种非常便宜的电路板，该电路板将成为像arduino这样的普通便士板和LED面板之间的桥梁？ 经过几个月的大惊小怪，有些事情诞生了。

本文介绍了控制器的第二个改进版本。

挑战赛


作为一项基本任务，我希望能够控制总尺寸至少为64x64的面板，同时能够至少在Highcolor（RGB565）下工作，同时保持可接受的屏幕刷新率（至少50Hz）。 在控制器的第一个版本中，基本任务已被完全实现，但是出现了通过另一种很有前途的方法来执行任务的想法，第二个版本由此诞生。

典型LED面板设计的基本说明


输入HUB75界面：


在每个颜色输入处，都有一串HC595类型的寄存器（但用于LED的特殊16通道版本）。 有太多的寄存器足以容纳面板的宽度。 粉碎，并行引导和输出许可对于所有寄存器都是通用的。 输入ABCDE-这是系列的选择-转至常规解码器。

工作原理：

  • 将数据设置为RGB输入，单击CLK按钮。 重复直到加载整个行
  • 关闭输出OE = 1（这样就不会产生干扰）
  • 给解码器加载的行号
  • 单击并行加载LAT-将行数据传输到输出寄存器
    使能输出OE = 0
  • 对下一行重复

这是经典的动态指示。 显然，使用这种方法在一个这样的周期中，我们只能打开/关闭每个特定的LED。

为了获得经典PWM的亮度等级，必须将此类循环重复N-1次，其中N是亮度等级的数量（RGB888为256）。 而且鉴于它仍然在闪烁-所有这些必须非常非常快地完成。

有一种解决方法-位角调制（BAM）。 在这种情况下，每个周期的辉光时间与显示位的权重成正比。 也就是说，对于RGB888，您只需要8个显示周期。 这里稍微详细一点 。

控制器的第一个版本使用经典的PWM，它对扫描周期数施加了严格的限制。 在第二个版本中，实施了BAM，从而极大地提高了速度。

实作


很明显，传统的微控制器仅拉小面板-大面板根本没有足够的速度。 因此，CPLD或FPGA在这里是必不可少的-在物理上不可能在低成本微控制器上产生数十MB / s。

作为存储器，非常有趣的FIFO存储器Averlogic AL422B在IXBT论坛上向我推荐了该存储器，该存储器具有大约400 KB的存储器，并且可以在高达50MHz的频率下运行。

考虑到我的主要要求是最大程度地降低组件成本，以便自制制造商可以使用制成的围巾，因此选择了带有64个宏单元的Altera EPM3064-CPLD。 同时，如此少量的宏单元不允许制作可动态配置的板-必须将配置直接编译到CPLD中。

→结果电路就在这里

详细资料：

  • CPLD EPM3064ATC44-10-阿里的价格大约是每打$ 13-15
  • FIFO RAM AL422B-Ali的价格约为每打$ 15
  • 50MHz晶体振荡器。 该板可用于DIP14 / DIP8 / 7050机箱的安装。 阿里的价格大约是每打6-7美元
  • 采用SOT223封装的3.3V稳压器。 芯片和浸入式价格-每个40r
  • IDC-10MS连接器。 切片和浸洗的价格-3 p /件
  • IDC-16MS连接器。 切片和浸洗的价格-8转/片
  • IDC-14MS连接器。 切片和浸洗的价格-7 r /件
  • 电容器1微法拉0805-8件约1 r /件
  • 电容器0.1uF 0805-约1 r /件
  • 电阻10k 0805-一分钱

得到的详细总数为1.5 + 1.5 + 0.7 = $ 3.7和40 + 3 + 8 + 7 + 8 * 1 +1 = 67 p。 总计在5美元以内-一分钱。

→原始的木板图像在这里

→准备的Gerber 文件可订购

评估板已准备好用于第一个没有RE控制的版本。 要将其与第二个版本一起使用，必须在AL422B的端子23和24之间切下跳线，并将电线从EPM3064的端子28（带到端子块）连接到AL422B的端子24。

焊接电路板时，请勿忘记在电路板背面焊接电源跳线。





计算方式


所需参数的计算非常复杂。

事实是，在控制器中并行执行两个过程-加载下一行的数据/指示已经加载的行。

进程同时开始，但在不同时间结束，因此更快的进程会等待更长的进程的完成。

→制作了Excel数位板进行计算

源数据：

  • CRYSTAL_FRQ（MHz）-发生器频率（50 MHz）
  • PIXEL_COUNT-下载栏中的像素数。 在切换部分中有更多详细信息。
  • RGB_INPUTS-在所使用面板的HUB75E界面中使用的RGB输入数量。 1或2
  • BYTES_PER_PIXEL-每个像素字节。 在我们的情况下，始终为3-RGB888
  • SCAN_LINES-使用的面板中的扫描线数。 8/16/32

所选参数：

  • PRE_DELAY-从LAT信号到OE开启的延迟，以刻度为单位
  • 预分频器-主计数器的预分频器。 也就是说，如果价格表为8，当前位的权重为4，则OE将打开8 * 4 = 32个周期
  • POST_DELAY-从关闭OE到下一个LAT信号的最小延迟，以刻度为单位

例如，我们有一个32x32面板，其中包含8条扫描线和2个RGB输入。 这样的面板有两个HUB75E连接器，也就是说，实际上是两个32x16面板。 我们将这些面板串联连接，也就是说，从逻辑上讲，该面板看起来像64x16。

PRE_DELAY和POST_DELAY是输出使能（OE）之前和之后的消隐间隔，以便多路复用器可以切换输出和打开/关闭键。 没有它们，就会存在从燃烧像素到相邻行的“技巧”。 通过实验为特定面板选择值。 通常15个小节就足够了（按小节设置）。

这就提出了选择预分频器的问题-如何选择它。

低的预分频值会缩短帧显示时间，但会降低整体亮度。 预分频器的高值会增加帧的显示时间，即枚举时会闪烁屏幕。

让我们尝试PRESCALER = 1

我们得到：

OE_EFFICIENCY-8.3％，即面板将仅工作于最大可能亮度的8.3％
FRAMES_PER_SECOND-2034 fps-但图片的刷新率非常高-超过2000 fps。

亮度损失已经非常大。

让我们尝试PRESCALER = 16

我们得到：

OE_EFFICIENCY-72.9％，即面板将以可能的最大亮度的72.9％工作
FRAMES_PER_SECOND-1117-图片的刷新率非常好-超过1000 fps。
好吧，这很正常-效率超过50％是非常正常的，并且帧速率非常好。

一般的经验法则是PRESCALER大约比产品PIXEL_COUNT * RGB_INPUTS小8倍

好吧，继续计数和检查。

切换LED面板


所有面板均串联连接。 连接图：首先从右到左，然后从下到上。 也就是说，首先我们将水平线串联起来，然后将底行的输出从底端连接到第二行的入口，依此类推。 到第一行。

控制器紧贴右下面板。

有具有两个输入和两个输出连接器的面板。 这样的面板本质上仅是两个面板垂直的机械组装。 转换为两个独立的面板。

组装后，我们需要计算以像素为单位的链的总长度-为此，我们要查看-链中有多少个总面板，然后将此数字乘以面板的宽度（以像素为单位）。 然后，需要在CPLD配置期间将此数字驱动到PIXEL_COUNT值中，并将其驱动到时序计算器中。

FPGA固件


所有必需的文件都在github上 。 您需要直接通过文件夹下载。

注册后，您必须从Altera网站下载并安装Quartus II 13.0sp1 。 您需要下载完全与此版本-较新的版本不再支持MAX3000系列。 无需破坏它-Web版（免费）版本就足够了。 下载时，请确保选中MAX3000和Programmer支持框。 以防万一，我警告您-包裹很大，大约有两场演出。 您还将需要Altera USB Blaster-Ali的正常价格约为3美元。

打开al422_bam.qpf项目。 在左侧，打开文件选项卡，然后打开文件al422_bam.v-这是主项目文件。 在其中您需要配置参数：

一个面板上有多少个RGB输入-在具有HUB75输入的面板上可以有1个或2个RGB输入。 为了准确找出以这种方式可以输入的数量-我们垂直获取面板中的像素数。 将其除以扫描线的数量（例如，在面板名称中表示为8S）。 除以输入连接器的数量（1或2）。 例如-我有一个32x32面板，8S扫描和两个输入连接器-32/8/2 = 2-这意味着两个RGB输入。

`define RGB_outs 2

面板上有多少条扫描线-由于支持HUB75E标准，因此最高可以达到32倍。 扫描行数通常在面板名称中分别为8S / 16S / 32S。

仅一行必须取消注释：

 `define SCAN_x8 1 //`define SCAN_x16 1 //`define SCAN_x32 1

链中水平像素的总数。 在整个面板链中都考虑像素-请参见“切换LED面板”部分

 `define PIXEL_COUNT 64

输出信号的相位。 最典型的配置是这样的：OE处于低电平活动状态（已删除注释），CLK正在前端运行（注释已打开），LAT处于高电平处于活动状态（注释已打开）。 各种奇怪的选择都是可能的。 通过实验或通过移除电路并搜索使用过的芯片的数据表，找出您只有哪一个。

 //`define LED_LAT_ACTIVE_LOW 1 `define LED_OE_ACTIVE_LOW 1 //`define LED_CLK_ON_FALL 1

OE信号相对于主计数器的LAT和预分频器的前后延迟。 见上文。

 `define OE_PRESCALER 16 `define OE_PREDELAY 31 `define OE_POSTDELAY 31

全部，按ctrl-L-项目已编译。 如果您未在任何地方拧紧它，将会有几个警告，但应该没有错误。 接下来，我们将焊接好的板子钩在USB Blaster上，并给该板子通电。 在Quartus中，转到工具-程序员。 在“硬件设置”中选择“ USB-blaster”，然后单击“启动”。 就是这样，CPLD已编程。

单片机部分


通常，输出到控制器的数据非常简单-我们重置写地址，然后顺序发出数据字节，并用WCLK信号对其进行抚摸。 看来，即使是平庸的arduinka也足以应付工作。 但是有两个问题：

a）需要很多内存。 即使是在RGB888模式下的小型32x32面板，也需要3kBytes的内存用于屏幕缓冲区。 基于Arduino的普通Atmega328仅包含2 KB的RAM。 当然，您可以使用基于Atmega2560的Mega板，其中包含多达8 kB的RAM，但是对于普通尺寸的面板来说，这还不够用-RGB565模式下的128x64面板需要16kB的内存。

b）在使用AL422B的过程中，出现了任何地方都未记录的故障-以小于2MB / s的速度写入数据时，地址计数器无法正常工作，并且“不在此处”写入数据。 也许这是我党的一个小故障。 也许不是。 但是必须避免这种故障。 鉴于AVR8的工作频率为16 MHz，几乎不可能以所需的速度从中获取数据。

提议的解决方案是基于32位STM32F103C8T6控制器的廉价围巾。 一条围巾的价格大约是阿里每条2.5美元，买一打时大约是1.7美元，这比Arduino Nano还要便宜。 同时，我们获得了功能强大的32位微控制器，工作频率为72 MHz，具有20 kB的RAM和64 kB的闪存（与Nano上的2kB / 8kB Atmega328相比）。

同时，此类板卡已在Arduino环境中成功编程。 关于这一点， 时钟上有一篇不错的文章，所以我不会重复。 通常，按照文章中所述进行所有操作。

在arduino环境中，选择通用STM32F103C，变体STM32F103C8板。 数据通过DMA，因此您可以使用任何优化选项。

切换发生如下：

牢牢地钉在图书馆里：
A0..A7→DI0..DI7 AL422B
B0→WCLK AL422B
B1→WRST AL422B

在草图中分配给控制器：
B10→我们AL422B

普通线：
G→地

好吧，不要忘记从面板向相应的控制器引脚提供5V / GND电源。

从电路中取出控制器上连接器的引脚。



软件部分


由于任务是使所有内容尽可能简单和负担得起，因此所有软件都是针对Arduino环境制作的，并被设计为LED_PANEL库。

LED-PANEL库积极使用Adafruit GFX库，因此需要安装它。

我强烈建议不要将LED_PANEL库放在库目录中，而是将其保留在草图文件夹中。 事实是，有很多铁绑定的参数，如果要将工作转移到更“胖”的微控制器上，则必须在代码本身中进行很多更改。

初始化大致采用以下形式：

 #include "LED_PANEL.h" #define width 32 #define height 32 #define bpp 3 #define scan_lines 8 #define RGB_inputs 2 #define we_out_pin PB10 LED_PANEL led_panel = LED_PANEL(width, height, bpp, scan_lines, RGB_inputs, we_out_pin);

也就是说，我们创建LED_PANEL类的实例，并为其指定参数：

width-面板的总宽度，以像素为单位（总计）
height-面板的总高度，以像素为单位（总计）
bpp-每个像素字节，对于RGB888为3。 BAM版本仅适用于RGB888
scan_lines-扫描线数为8/16/32。 它必须对应于闪烁到控制器中的模式。
RGB_inputs-HUB75连接器中RGB输入的数量为1/2。 它必须对应于闪烁到控制器中的模式。
we_out_pin-WE输出挂钩的引脚

请注意，在初始化期间，仅指定了WE引脚。 由于所有其他引脚都与使用的定时器和DMA通道绑定在一起，因此所有其他引脚都严格地注册在代码中，并且更改它们将对代码进行重大更改。

在设置部分启动和清除屏幕：

  led_panel.begin(); led_panel.clear();

开始将必要的引脚初始化为输出，连接计时器和DMA
清除清除缓冲区

对于绘图，您可以使用Adafruit GFX库的所有标准过程-从最简单的drawPixel到文本输出。 要输出绘制到缓冲区的程序，请使用：

 led_panel.show();

show以这种形式启动通过DMA到控制器的数据传输并立即返回控制。 在led_pa​​nel.OutIsFree（）函数的帮助下确定传输是否已结束-如果说为true，则传输已结束。 有一个功能-如果您在传输尚未完成时致电show-它将被忽略。

 led_panel.show(false);

与show（）类似，但如果调用show（false），并且传输尚未完成，则该过程将等待传输完成，然后开始新的传输并返回控件：

 led_panel.show(true);

类似于show（false），但如果调用show（true），则在新的传输开始之后，该过程在传输完成之前不会返回控制权。

一般来说，仅此而已。



关于软件的一些注意事项：

a）当使用ExpandColor函数从RGB565（库使用）重新计算颜色时，引入了伽玛校正。 在所有其他情况下，都使用线性传递函数，即亮度与该值成正比。
b）软件允许您将多个LED控制器连接到一个微控制器板上。 为此，将数据总线，RST和CLK线并行发送到控制器。 通过WE线选择所需的控制器。 在软件中，您需要为每个控制器创建一个单独的LED_PANEL类实例，并且每个实例在初始化期间必须具有不同的WE行（最后一个参数）。

要做


-处理相邻行中的花朵“拾取”。 面板本身的接线看上去很差（按键杂乱），但是您需要检查一下。 刚到一个新面板-我会检查；
-制作新版的电路板-带有已经离婚的RE并增加5V的输出电平转换器；
-创建META_LED_PANEL类，该类将允许将多个LED_PANEL组合到一个虚拟屏幕中-这将使创建具有多个控制器的超大屏幕成为可能；
-将来，请使用功能更强大的CPLD系列产品，例如CycloneIV。 这将在保持低成本的同时极大地扩展可能性（对于中国人而言，EP4CE6E22的成本约为5美元，而宏单元的数量增加了100倍，内部存储器约为32 kB）。 但是有一天我会做的。 如果我想。 由于这种发展需要太多时间。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN409743/

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