Операция «пучеглазка». (RGB LED Matrix Panels Test)

Arduino

Июл 022019

В данной заметке речь пойдёт о светодиодных панелях, используемых в рекламных вывесках и архитектурных ТВ экранах.
Вот примерно таких:

Самые распространённые варианты 16*32 пикселя 16*64, 32*32, 32*64. Есть ещё куча промежуточных вариантов. Также они отличаются размером диодов яркостью и исполнением корпуса.

Панели 256mm*128mm 64*32pixels с пикселем 4мм на диодах SMD2121 и ярокстью 1200CD/M2 стоят от 700р за панель и примерно 300р доставка до третьих стран(2018г).

Хотя в рекламных вывесках они применяются чаще одноцветные:

Суть проблемы:

Есть неисправные РГБ панели размера P4 32 строки на 64 пикселя в каждой. Для ремонта этих панелей необходимо включать отдельные пиксели. Также необходимо полностью отключать панели от питания. Многие скажут что полное отключение от питания излишне, но я считаю что если лезешь паяльником в установку — то установка должна быть обесточена. Включать и отключать при ремонте надо часто и этот процесс необходимо сделать без участия проводов и разъёмов.

Решение.

Пункт первый — поиск информации о том как эти панели работают.

Имеющийся модуль дисплея состоит из 18 панелей 3 подключены последовательно в ряд и 6 параллельных рядов.
Всё это дело управляется контроллером, имеющем один вход данных, один выход и 6 разъёмов для подключения панелей.
Питается от двух блоков питания дающих суммарно 400Вт при напряжении 5В.

Более подробное изучение вопроса показало, что данные панели в быту и домашних поделках применяются обычно с готовыми контроллерами блоков и преобразователями HDMI и подобными сразу как дисплей компьютера.
В виду этого на просторах интернетов сложно найти документацию по управлению непосредственно панелями.

Вот что мне удалось найти
Панели имеют 3 разъёма: питание, вход данных и выход данных. Напряжение питания 5В, ток до 4А (все пиксели белые максимальная яркость), управление 5В.
Вход и выход данных используются для наращивания панелей построчно:

На данном фото показан экран из панелей 32Х32 пикселя с управлением от Raspberry Pi 3 с адаптером расширителем портов на 4х регистрах 74HCT245.

Контакты разъёма данных обозначены не у всех производителей, но более менее стандартны.
Вот тот вариант, что достался мне:

Не подписанные выводы это «земля», подключенные к минусу питания.
Правда на панелях у меня вообще ни один вывод не подписан, но разводка совпадает.
В зависимости от того какого размера панель в ней могут отсутствовать контакт D и контакты цветов, если панель двухцветная или одноцветная. Если панель меньше 32 строк то могут отсутствовать контакты R1, G1, B1. Я встречал описание на панель у которой использовались только контакты R0,R1,G0,G1, а сама панель была трёхцветной (красный, зелёный, оранжевый (красный+зелёный).

Логика работы панели.

Логически панель состоит из драйверов светодиодов (сдвиговых регистров), образующих буфер длинной в одну строку. Если последовательно соединено несколько панелей то длинна строки равна суммарной длине строки всех последовательных панелей.
Если в панели 32 строки то таких буферов два.
Первый из них строки с 0 по 16 имеет входы R0, G0, B0. Второй (строки с 16 по 31) входы R1, G1, B1.
Если на вход подать «1»= +5В, то пиксель включит нужный цвет.
Входы CLK, LAT и OE у них объединены.

Адресные входы A,B, C, и если панель больше 16 строк то D производят строчную развёртку. При этом на панелях с 32мя строками развёртка идёт в две строки сразу.

Алгоритм передачи данных в панель

Выставляем +5В (лог 1) на вход OE, что отключает дисплей на время обновления.
На адресных входах выставляем номер строки в двоичном виде:
Выбираем будем обновлять только одну строку или две сразу. И выставляем на входах цветов 1 для включенных цветов в нужных пикселях.
Проталкиваем данные в буфер ставя и снимая 1 с входа CLK.
Повторяем выставление цвета и проталкивание для всех пикселей строки (сколько панелей собрали последовательно столько и пихаем, умножив на размер панели).
По завершении проталкивания даём импульс «1» на вход защёлки LAT
Выставляем 0 на вход OE, что включает дисплей.

Замечание по поводу отключения дисплея через ОЕ. Так рекомендуют делать во избежании возникновения ненужной засветки во время обновления буферов строк. На имеющихся у меня панелях такого эффекта при включенном ОЕ не наблюдалось, но за то я очень получил по глазам (до головной боли) из-за большой яркости панели. Панель не имеет встроенной возможности регулировать яркость. Мне же для работы нужна была минимальная яркость. По этой причине на вывод ОЕ панели я подал сигнал ШИМ и задавил яркость всей панели на минимум. При работе с экраном из нескольких панелей так можно регулировать только общую яркость экрана, но не яркость отдельных пикселей.

Про быстродействие такого алгоритма работы с панелями скажу следующее:
Контроллеры AVR могут вывести примерно 4 панели 32х32.
Raspberry Pi 2 может осилить 3 строки (с описанным выше расширителем портов) по 12 матриц 32х32 в каждой (всего 36 панелей).
Из такого расклада становится очевидным что для создания реального экрана надо задействовать минимум Raspberry Pi, а лучше не парить мозг и подключить через покупной контроллер как HDMI дисплей к той-же Raspberry Pi, что сильно упростить создание и обновление контента.

Создание проверочного стенда

Схемотехническое решение
Используем контроллер AVR MEGA16, потому что так мне удобнее. Я лучше знаком с AVR чем с STM и у него достаточно выводов. Тактирование 8МГц от внутреннего источника, потому что мне не надо включать всю панель сразу.
Для отображения координат выбранного к проверке пикселя и его цвета и состояния прочего используем символьный ЖК дисплей 2*16. У меня их много. И тут ему самое место.
Для управления используем энкодер. Это позволит вращением менять выбранный параметр а нажатием кнопки переключатся на следующий параметр. Что в итоге должно дать возможность вообще переключать режимы не глядя на ЖК экран.
Для отключения контроллера от панели ставим буферы с защитой от статики.
Питание панели отключаем через реле. Для того чтобы лезть туда паяльником при включенном стенде.

Схема

По итогу выяснилось что я забыл поставить конденсаторы по входному питанию и добавил в реальную плату 2 конденсатора 470uFx16V параллельно. Если их нет то при включении панели от моего блока питания марки D-Link вся схема работала нестабильно. Если питание панели подаётся от отдельного мощного источника (Она на максимуме 4А кушает) то такого косяка быть не должно.

Код работы с панелью
Настройка таймера для шим яркости панели

// Настройка таймера 1 на шим управление яркостью всей панели TCCR1A=(1<<COM1A1)|(1<<WGM10); //На выводе OC1A единица, когда OCR1A==TCNT1, восьмибитный ШИМ TCCR1B=(1<<CS10); //Пред делитель = 1 OCR1A=0xFD; //Яркость минимальная

Дефайны подключения панели.

// Panel #define PAN_COLOR_PORT PORTC #define PAN_COLOR_DDR DDRC #define PAN_ISO 6 // Отключение буферов #define PAN_R0 5 #define PAN_R1 1 #define PAN_G0 4 #define PAN_G1 2 #define PAN_B0 3 #define PAN_B1 0 #define PAN_ADR_PORT PORTD #define PAN_ADR_DDR DDRD #define PAN_A 6 #define PAN_B 7 #define PAN_C 1 #define PAN_D 2 #define PAN_OE 5 #define PAN_CLK 3 #define PAN_LAT 4

Инициализация портов. У меня всё вразброс для ускорения разводки платы.

// Panel PAN_COLOR_DDR |= (1<<PAN_R0|1<<PAN_R1|1<<PAN_G0|1<<PAN_G1|1<<PAN_B0|1<<PAN_B1|1<<PAN_ISO); PAN_COLOR_PORT&= ~(1<<PAN_R0|1<<PAN_R1|1<<PAN_G0|1<<PAN_G1|1<<PAN_B0|1<<PAN_B1|0<<PAN_ISO); // На всех 0 PAN_COLOR_PORT |= (1<<PAN_ISO); // отключается еденицей PAN_ADR_DDR |= (1<<PAN_A|1<<PAN_B|1<<PAN_C|1<<PAN_D|1<<PAN_OE|1<<PAN_CLK|1<<PAN_LAT); PAN_ADR_PORT&= ~(1<<PAN_A|1<<PAN_B|1<<PAN_C|1<<PAN_D|0<<PAN_OE|1<<PAN_CLK|1<<PAN_LAT); PAN_ADR_PORT|= (1<<PAN_OE); // отключается еденицей

Переменные состояния панели. Напомню задача включить определённый пиксель и проверить работает он или нет.

uint8_t Panel_power = 0; // Состояние реле подключающего питание тестируемой панели uint8_t Led_X = 0; // Выбраный свотодиод по Х uint8_t Led_Y = 0; // Выбраный свотодиод по Y uint8_t Led_color = 0; // Цвет выбранного диода

Отправка данных в панель

if (Panel_power) { ClearBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_ISO); // Включение буферов SetBit(PAN_PWR_PORT,PAN_PWR_PIN); // Включение питания панели. // Выставили адрес 2х строк if(Y & 0x01) SetBit(PAN_ADR_PORT, PAN_A); else ClearBit(PAN_ADR_PORT, PAN_A); if(Y & 0x02) SetBit(PAN_ADR_PORT, PAN_B); else ClearBit(PAN_ADR_PORT, PAN_B); if(Y & 0x04) SetBit(PAN_ADR_PORT, PAN_C); else ClearBit(PAN_ADR_PORT, PAN_C); if(Y & 0x08) SetBit(PAN_ADR_PORT,PAN_D); else ClearBit(PAN_ADR_PORT,PAN_D); if (TCCR1B!=1) {SetBit(TCCR1B,CS10);} // Проверили что шим у нас точно есть. // Вывод двух строк на панель for (uint8_t i = 0; i<PANEL_X_MAX; i++) { if (i!=X) { PAN_COLOR_PORT &= ~(1<<PAN_R0|1<<PAN_R1|1<<PAN_G0|1<<PAN_G1|1<<PAN_B0|1<<PAN_B1); // Все цвета выключены } else { PAN_COLOR_PORT&= ~(1<<PAN_R0|1<<PAN_R1|1<<PAN_G0|1<<PAN_G1|1<<PAN_B0|1<<PAN_B1); switch(Led_color) { case Led_BLACK: {PAN_COLOR_PORT &= ~(1<<PAN_R0|1<<PAN_R1|1<<PAN_G0|1<<PAN_G1|1<<PAN_B0|1<<PAN_B1);} break; case Led_RED: { if (Y<16) {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_R0);} else {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_R1);} } break; case Led_GREEN: { if (Y<16) {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_G0);} else {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_G1);} } break; case Led_BLUE: { if (Y<16) {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_B0);} else {SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_B1);} } break; case Led_WITE: { if (Y<16) {PAN_COLOR_PORT |= (1<<PAN_R0|1<<PAN_G0|1<<PAN_B0);} else {PAN_COLOR_PORT |= (1<<PAN_R1|1<<PAN_G1|1<<PAN_B1);} } break; } } ClearBit(PAN_ADR_PORT,PAN_CLK); // Сбросили CLK SetBit(PAN_ADR_PORT,PAN_CLK); // Поставили CLK } ClearBit(PAN_ADR_PORT,PAN_LAT); // Сбросили latch SetBit(PAN_ADR_PORT,PAN_LAT); // Поставили latch ClearBit(PAN_ADR_PORT,PAN_LAT); // Сбросили latch } else { // Здесь отключаем панель для работы с ней. ClearBit(TCCR1B,CS10); SetBit(PAN_ADR_PORT,PAN_OE); // Погасили дисплей OE High (disable output) SetBit(PAN_COLOR_PORT,PAN_ISO); // Отключение буферов ClearBit(PAN_PWR_PORT,PAN_PWR_PIN);// отключение питания панели. }

Я надеюсь комментариев достаточно.
Данный код не претендует на скорость работы, он просто работает. Скорость меня устраивает.