MSP430: Světelné efekty na maticovém displeji

Transkript

1 MSP430: Světelné efekty na maticovém displeji Dokumentace projektu IMP Autor: Macek Miroslav (xmacek13) V Brně,

2 Obsah 1 Úvod 2 2 Řešení HW Modul displeje Popis schématu zapojení Seznam součástek Schéma zapojení Deska plošného spoje Řešení SW Mapování výstupů MCU na LED displeje Multiplexované zobrazení Způsob uložení dat pro zobrazení Běh programu Struktura efektů Ovládací manuál 9 1

3 1 Úvod Účelem projektu je využití mikrokontroléru MSP430 obsaženém v přípravku FITkit k zobrazování světelných efektů na maticovém displeji 8x8 bodů. Efektů má být minimálně 5 a jejich výběr je prováděn příkazy zasílaných přes terminál. Přímé připojení světelných diod displeje k vývodům MCU není z důvodu relativně velkého odběru proudu optimální řešení. Proto byl navržen a zkonstruován modul obsahující posilovací tranzistory pro převedení průtoku proudu displeje přímo z napájení FITkitu. Modul je s FITkitem propojen vícežilovým kabelem opatřeným dutinkovými konektory. Po vyřešení hardwarové stránky problému přichází na řadu řešení principu ovládání každého bodu (světelné diody) displeje. Uvnitř displeje jsou spojeny vždy katody sloupce a anody řádku. Výsledkem je zredukování počtu řídících vodičů na 16. Vzniká však problém nemožnosti ovládnutí každé z LED displeje v jednom časovém okamžiku. Proto je pro vykleslení obrazu na displeji využito časového multiplexu softwarově implementovaného v MCU. V projektu jsem použil displej obsahující v každém světelném bodě dvě LED - červenou a zelenou. Rozhodl jsem se tedy implementovat možnost ovládání obou barev. V jednom okamžiku může svítít pouze jedna z barev, důvod bude uveden níže. Aplikace je přeložitelná v SVN systému terminálové aplikace QDevKit a ovládána pomocí terminálu. 2 Řešení HW Z důvodu velké variability způsobů propojení displeje s FITkitem je potřeba detailně popsat mnou realizovaný způsob. 2.1 Modul displeje Jak již bylo zmíněno výše, displej není k fitkitu připojen přímo. Proud jedinou LED displeje může být podle datasheetu až 30 ma (červená) a 25 ma (zelená) při konstantním proudu. V pulzním režimu s délkou průtoku 1/10 milisekundové periody pulzu dokonce 140 ma. Proto je omezení proudu cca 40 ma na jeden pin MSP430 naprosto nedostačující (uvažme, že by jeden pin MCU musel být schopen propustit až 8x25 ma). Proud pro červené LED je omezen rezistory 120 R, pro zelené 130 R. Výpočtem podle Ohmova zákona dostáváme proud 25 ma pro červenou a 22 ma pro zelenou LED. Řádky displeje tvoří anody diod, proto jsou buzeny P-kanálovými MOSFET tranzistory. Sloupce tvoří katody, jsou tedy podpořeny NPN tranzistory. Tyto NPN tranzistory jsou k dispozici v integrovaných osmicích, takže se konstrukce zjednoduší. Spojením řádků obou barev byl zredukován počet řídících vodičů na 24. Pro sloučení byly záměrně vybrány řádky kvůli zmenšení počtu P-MOSFET tranzistorů, které jsou v porovnání s integrovanými NPN tranzistory drahé a zabírají více místa. Celkem modul obsahuje 8 P-MOSFET tranzistorů typu 2

4 BS250KL a 16 NPN tranzistorů ve dvou integrovaných obvodech ULN2803. Obě barvy všech sloupců mají vlastní předřadný rezistor, je jich tedy potřeba 16. Nemožnost zobrazit v jednom okamžiku více barev je dána právě redukcí MOSFET tranzistorů řádků. Ty by v případě rozsvícení všech 16 LED v řádku (8 červených + 8 zelených) musely být dimenzovány na proud 380 ma. Typ BS250KL je pouze do 270 ma. Proto LED musí být přepínány po sloupcích - v jednom okamžiku může v rámci jednoho řádku svítit maximálně jedna LED každé barvy. To řádkový MOSFET tranzistor zatíží proudem max. 47 ma. Tranzistory NPN pole ULN2803 mohou být zatíženy až 500 ma, proto na případný proud 380 ma při svitu obou barev celého sloupce jsou zcela vyhovující. Předřadné rezistory bází NPN tranzistorů jsou již integrovány v obvodech ULN2803, proto se bez nich zapojení obejde. Diskrétní tranzistory BS250KL, jakožto typ MOSFET, rezistory pro gate nepotřebují (spíše naopak). Mechanické propojení modulu s FITkitem je usnadněno vyvedením všech bází a gate elektrod na piny pasujících do dutinkových konektorů. Pro tento 26-pinový konektor byl vyroben kabel se 40 pinovým konektorem na straně FITkitu pasující na konektor JP9. Z tohoto konektoru je také do modulu přiváděno napájení 5 V. Základ modulu tvoří plošný spoj vyrobený v amatérských podmínkách a osazený příslušnými součástkami. Pro připevnění displeje jsou do DPS připájeny jednořadé dutinkové lišty tak, že do nich lze displej zasunout. Pro úplnost je nutno dodat, že s možností ovládat dvě barvy LED v jednom bodě získáme tři možné barvy - červenou, zelenou a jejich smícháním také žlutou. 2.2 Popis schématu zapojení Řádky displeje a jim odpovídající vstupy budících tranzistorů jsou značeny Rx, kde x je číslo řádku. Obdobně jsou značeny sloupce jako Cxy, kde x je číslo sloupce a y je značení barvy. Může být bud R pro červenou nebo G pro zelenou. Příslušející piny všech konektorů modulu a FITkitu k řádkům a sloupcům jsou zaznamenány ve schématu zapojení Seznam součástek Jméno Hodnota/Typ R1-R R R9-R16 120R Q1-Q8 BS250KL IC1, IC2 ULN2803 3

5 Schéma zapojení FITkit MCU header JP9 GND V C8G C7R C8R C6G C7G C6R C4R C5G C4G C5R C3R R4 C3G R3 C2R R2 C2G C1R R1 C1G R8 R R R Display TOP socket +5V Q1 R1 R9 R2 R10 R3 R11 R4 R12 Q2 R1 R2 R3 R4 C5 C6 C7 C8 R R R R G G G G Q Q4 IC1 S1 +5V O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 CD+ I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 GND ULN2803 Display modul header R5 2 1 R6 C1G 4 3 R7 C1R 6 5 R8 C2G 8 7 R1 C2R10 9 R2 C3G12 11 R3 C3R14 13 R4 C4G16 15 C5R C4R18 17 C5G C7G20 19 C6R C8R22 21 C6G C8G24 23 C7R GND V +5V GND GND H1 Display BOTTOM socket C1 C2 C3 C4 R5 R6 R7 R8 G G G G R R R R S R13 R5 R14 R6 R15 R7 R16 R8 R1-R8 (red) 130R (150R) R9-R16 (green) 120R IC2 I1 O1 I2 O2 I3 O3 I4 O4 I5 O5 I6 O6 I7 O7 I8 O8 GND CD+ ULN V Q5 Q6 Q7 Q8 Q1-Q8 BS250KL GND RED R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1 D9 D17 D25 D33 D41 D49 D57 D2 D10 D18 D26 D34 D42 D50 D58 D3 D11 D19 D27 D35 D43 D51 D59 D4 D12 D20 D28 D36 D44 D52 D60 D5 D13 D21 D29 D37 D45 D53 D61 D6 D14 D22 D30 D38 D46 D54 D62 D7 D15 D23 D31 D39 D47 D55 D63 D8 D16 D24 D32 D40 D48 D56 D64 GREEN R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 D65 D66 D67 D68 D69 D70 D71 D72 D73 D74 D75 D76 D77 D78 D79 D80 D81 D82 D83 D84 D85 D86 D87 D88 D89 D90 D91 D92 D93 D94 D95 D96 D97 D98 D99 D100 D101 D102 D103 D104 D105 D106 D107 D108 D109 D110 D111 D112 D113 D114 D115 D116 D117 D118 D119 D120 D121 D122 D123 D124 D125 D126 D127 D128 Display 8x8 Obrázek 1: Schéma zapojení modulu 4

6 2.4 Deska plošného spoje Červené cesty značí drátové propojky na straně součástek. Obrázek 2: rozměry: 83 x 66 mm 5

7 3 Řešení SW Po zhotovení hardwarové části a úspěšném propojení modulu displeje s FITkitem je programová část řešení zcela v režii konstruktéra. Vyjma správného namapování použitých pinů MCU na porty dostupné v programovacím jazyce lze zbytek software řešit libovolně. V následujícím textu budou stručně uvedené principy mého řešení. 3.1 Mapování výstupů MCU na LED displeje Pro jednodušší a intuitivní přístup k jednotlivým bitům portů PxOUT mikrokontroléru MSP430 jsem vytvořil bitové masky každého použitého pinu. Pomocí těchto masek jsou definovány další makra s parametrem, která užitím bitových logických operací umožní rozsvícení nebo zhasnutí příslušné LED. Názvy maker odpovídají značení řádků a sloupců uvedených ve 2.2. Napsáním např. R5(ON); C8R(ON); se rozsvítí červená LED na pátém řádku v osmém sloupci. S hodnotou OFF naopak LED zhasne. 3.2 Multiplexované zobrazení Jak již bylo zmíněno, pro možnost ovládat stav každého bodu displeje nezávisle je nutností použít časový multiplex zobrazení. V každém časovém okamžiku je aktivován pouze jeden sloupec a k němu příslušné řádky. Sloupce se přepínají cyklicky zleva doprava. Aktivita každého sloupce trvá dobu 1 ms. Definice funkce pro multiplex je multiplex(unsigned long long* d, char color), kde d je odkaz na proměnnou s daty a color definuje barvu snímku. Může nabývat hodnot RED, GREEN nebo YELLOW. 6

8 3.3 Způsob uložení dat pro zobrazení Aby se uložení konfigurace všech LED pro jeden snímek zobrazení nemuselo zabývat multiplexním řízením, jsou data uložena v jedné 64-bitové proměnné typu unsigned long long. Každý její bit reprezentuje stav LED - ON nebo OFF. Korespondence jednotlivých bitů s body displeje je uvedena zde: COLS ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW ROW Nastavovat pro každý obrazec efektu ručně všechny bity proměnné s daty může být někdy neefektivní s pracné. Proto jsem vytvořil funkce, které umožní rozsvícení nebo zhasnutí LED určené souřadnicemi x, y. Pozice souřadnic odpovídají kartézké soustavě, to znamená, že spodní levý roh odpovídá hodnotám souřadnic x=0, y=0, horní pravý roh odpovídá x=7, y=7. Funkce pro ovládání bodů podle souřadnic jsou: set_on(char x, char y, ullong* shot) set_off(char x, char y, ullong* shot) get_val(char x, char y, ullong* shot) neg_val(char x, char y, ullong* shot) Rozsvítí LED na pozici x, y Zhasne LED na pozici x, y Zjistí stav LED na pozici x, y Zneguje stav LED na pozici x, y Pro efekty je možnost využít také implementované funkce pro vykreslení úsečky Bresenhamovým algoritmem draw_line(int x0, int y0, int x1, int y1, char s, ullong* d), kde x0 a y0 jsou souřadnice začátku úsečky a x1 a y1 jsou souřadnice konce. Parametr s definuje, zda-li se má trajektorie úsečky rozsvítit nebo zhasnout (ON OFF). Ukazatel ullong je vždy odkaz na data vykreslovaná funkcí multiplex(). 3.4 Běh programu Po inicializaci použitých proměnných a výstupů MCU je dále program řízen v nekonečné smyčce. Podle hodnoty v globální proměnné global_effect je za použití switche volána funkce příslušného efektu. V každém cyklu nekonečné smyčky je volána funkce multiplex() pro vykreslení aktuálních dat a funkce terminal_idle() pro obsluhu terminálu. V těle efektů proto není vhodné využívat 7

9 čekacích funkcí, protože se tím prodlouží doba mezi vykreslováním multiplexu. Prodlevy mezi stavy efektu jsou proto řešeny počítadly průběhů, jak bude uvedeno níže. Při zadání příkazu přes terminál je volána funkce decode_user_cmd(), která rozpozná zadané příkazy a jejich dekódováním nastaví požadované globální proměnné. Globální proměnné ovlivňující průběh programu v nekonečné smyčce jsou: unsigned char global_effect unsigned char global_color unsigned char global_clr_rnd unsigned int global_speed Číslo probíhajícího efektu Aktuální barva efektu Příznak, zda-li má být barva měněna náhodně Rychlost aktuálního efektu 3.5 Struktura efektů Kód každého efektu je obsažen ve vlastní funkci v souboru effects.c. Proměnné využívané konkrétním efektem jsou deklarovány před hlavičkou funkcí a jsou globální. Ke globálním proměnným hlavního modulu main.c je umožněn přístup díky modifikátoru extern. Pro snadné řízení efektů je vytvořeno pole příznaků effect_run[] udávající, který efekt je spuštěn. Na začátku každého efektu je testování na aktivitu (příznak na příslušném indexu effect_run[]) a pokud není příznak nastaven, efekt provede inicializaci svých používaných proměnných, vynuluje pole effect_run[] a nastaví v něm příznak běhu (hodnota 1) na své pozici. Při dalších bězích smyčky se již vykonává kód efektu. Jelikož nekonečná smyčka probíhá relativně rychle (zpožd ování je pouze ve funkci multiplex()), je ve všech efektech použit čítač delay, který je porovnáván s hodnotou zpoždění global_speed a tím docílíme zpoždění mezi fázemi efektu bez nárůstu prodlevy mezi voláním vykreslování multiplex(). Při každém běhu smyčky je také aktualizována barva color hodnotou global_color zadanou přes terminál uživatelem. Některé efekty mohou být i nezávislé na barvě zadané global_color a určovat si ji samy. Dále je ještě v běhu smyčky aktualizována hodnota global_speed zadaná uživatelem. Čím vyšší hodnota, tím jsou prodlevy mezi změnami efektu vyšší. Při zjištění aktivního příznaku global_clr_rnd se barvy mění náhodně v náhodně generovaných intervalech. 8

10 4 Ovládací manuál Po překladu a nahrání aplikace do FITkitu (nejlépe použitím QDevKitu) aplikaci spust te otevřením terminálu. Příkazy zasílané MCU terminálem: EFFECT number Spuštění efektu pod číslem number NEXT Spuštění následujícího efektu PREV Spuštění předchozího efektu OFF Zastaví přehrávání efektu COLOR value Nastaví barvu efektu, možnosti jsou: [RED GREEN YELLOW RANDOM] SPEED number Nastaví rychlost efektu v rozmezí [ ] Implementované efekty jsou (možná bude potřeba mírně zapojit fantazii): EFFECT 1 EFFECT 2 EFFECT 3 EFFECT 4 EFFECT 5 EFFECT 6 Přesýpací hodiny Zrychlující se vrtule s následnou explozí (barvy a rychlost jsou pevně dané) Záblesky Efekt spektrálního analyzátoru hudebních přehrávačů Blíže nespecifikovatelný efekt Padající sníh 9