Cветодиодная линейка на MAX7219

Попалась мне в руки светодиодная линейка неизвестного происхождения из 52 двухцветных светодиодов - красный и зелёный. Которая управлялась двумя микросхемами maxim max7919(драйвер). У этой платки было 8 пинов для подпайки, один из которых ни к чему не подключался.

Цель - разобраться что она из себя представляет, как работает и сделать что-нибудь с ней - погонять "бегущие огни" будет вполне достаточно.

Предыстория

Конечно, сама она мне в руки не упала :). Дал мне её преподаватель нового предмета - Основы проектирования. Он очень много знает и желает делится знаниями со студентами, предлагая создать различные проекты.

Внутри

Понятия не имею откуда эта линейка и для чего она предназначалась. Поэтому пришлось разбираться. Единственное что было на плате - цифры 8485-01, видимо какой то серийный номер - ровным счётом ничего не дало. Осмотр схемы + чтение даташита - час ушёл на то, чтоб понять как она примерно работает.

Каждые 4 диода общим анодом к выходам "номерам цифр" драйвера, и к каждому цвету светодиода по ноге из сегментов. В итоге на первый драйвер приходится 8 "номеров цифр", на второй - 5. Под номерами цифр я подразумеваю номера цифр на 7ми сегментных дисплеев

Схему в общем виде линейку можно обрисовать так:

Ага, рисовал карандашиком. Жутко не хотелось в каде. Посмотрел библиотеки компонентов gEDA, KiCad и даже eagle - там не было драйвера. Пробежался по гуглу - тоже нет. Рисовать - лень, да и не нужно это для одного раза. Вот карандашиком.. как на начерталке ))

Разводку платы знать и не нужно - главное,что есть интерфейс. На рисунке - он слева. Пару слов о нём:

Пусто.. видимо для отсчёта
GND - земля. Общая для двух драйверов
DIN - данные. Также общий для драйверов - разумеется данные предназначаются тому, у которого активен CS
CS1 - chip select для первой микросхемы. Выставляем в 0, когда хотим что-то сказать ей. На ней 5 сегментов(5 * 4 = 20светодиодов)
CS2 - аналочино, для второго драйвера. На этом драйвере висят 8 сегментов(8 * 4 = 32светодиода)
CLK - clock. Тактируем..
Iset - установка максимальной яркости led. НЕ ЯРКОСТИ, как многие(судя по форумам) понимают. Яркость задаётся ШИМом и устанавливается значением регистра. Для NONAME светодиодов которые попались - 37кОм слишком много - еле видны, а 31кОм - самое то. Значение устанавливается в зависимости от мощности нагрузки - читаем даташит.
VCC - питание 5v

Поэксперементировав, с зелёным цветом становится быстро понятно - определяется каждым нечётным номером бита. С красным - даже не то что ровно на оборот - они смещенные(но при этом чётные). Вдаваться в подробности не буду, т.к. пока делал - знал какие биты соответствуют какому номеру светодиода - написал прошивку и забыл. Ниже прошивка, в которой не требуется знать какой бит, номер сегмента и микросхемы отвечает за конкретный номер led.

Для эксперементов подключил atmega8, вот таким способом:

Разумеется, можно было без кварца, для такой фигни-то. Просто он был на "отладочной плате" - ну и пусть. Также, не отображён коннектор для прошивки. Питалось это всё от USB.
Забыл нарисовать резистор 10кОм подключённый между VCC и ногой RESET - без него мега если и запустится, то будет от каждого чиха перезагружаться

Прошивка

Сначала хотел управлять через usb - но раздумал, не стоит это того, всё равно скоро отдавать, да и практической пользы мало.

Не смотря на то, что как описано в даташите многие значения регистров по дефолту совпадают с тем, что мне нужно, я очень долго бился пока не понял - их все нужно сначала инициализировать. После инициализации вычислил (посылая разные комбинации драйверам) как драйверы подключены к диодам, и уже по из этого вычислил схему подключения :)

I/O

Не буду пересказывать даташит. Комманда состоит из 2 байт - в старшем: старшие 4 бита - незначащие, младшие - комманда. Второй байт(младший) - если можно так выразится - аргументы для комманды, ну или значения которые нужно положить в определённый регистр драйвера.

Несколько вспомогательных функций для работы с CS, DIN и CLK линиями.
#define LOW 0 #define HIGH 1

void led_cs1(char x) { PORTC = x ? PORTC | _BV(4) : PORTC & ~_BV(4); } void led_cs2(char x) { PORTC = x ? PORTC | _BV(5) : PORTC & ~_BV(5); } void led_clk(char x) { PORTD = x ? PORTD | _BV(7) : PORTD & ~_BV(7); } void led_din(char x) { PORTD = x ? PORTD | _BV(6) : PORTD & ~_BV(6); }
Аргумент у них - должен отвечать на вопрос: установить ли 1 на линии?

Когда умеем дёргать линии, можно посылать данные:
void outputByte(unsigned char val) { for(signed char i = 7; i >= 0; i--) { led_din(val & (1 << i)); _delay_ms(CLOCK_TIME_MS /2);


        led_clk(HIGH);

_delay_ms(CLOCK_TIME_MS);

led_clk(LOW); _delay_ms(CLOCK_TIME_MS); } } void outBytes(char pin, unsigned char reg, unsigned char dat) { PORTC &= ~_BV(pin); outputByte(reg); outputByte(dat); PORTC |= _BV(pin); }
Т.е. отправка комманды комманды(слова) заключается в опускании CS(установки в активное состояние) для нужного драйвера, и последовательной отправки 2 байт.

Для отправки какой то одной или сразу двум вынес отдельно:
#define outBytesChip1(reg, dat) outBytes(PIN_CS1, reg, dat); #define outBytesChip2(reg, dat) outBytes(PIN_CS2, reg, dat);

void outBytesChips(unsigned char reg, unsigned char dat) { outBytesChip1(reg, dat); outBytesChip2(reg, dat); }
outBytesChipN() - через дефайн, т.к. эксперементально определил что прошивка меньше места занимает :)

Инициализация

Как я уже писал выше - промучился, пока жостко не проинициализировал.
void init() { // configure pins to output DDRC |= _BV(5) | _BV(4); DDRD |= _BV(6) | _BV(7);


    // pre-init drivers line

led_cs1(HIGH);

led_cs2(HIGH);

led_clk(LOW);
    // setup clock interrupt and prescaler

TCCR0 |= (1<<CS02)|(1<<CS00);

TIMSK |= (1<<TOIE0);

TCNT0 = 0;
    // initialize drivers

outBytesChips(0xc, (1)); // shutdown

outBytesChips(0xa, (15)); // intensity

outBytesChips(0x9, 0); // decode mode

outBytesChips(0xf, 0); // test mode

outBytesChips(0xb, 7); // scan limit

// finally, enable interrupts sei(); }
Для чего нужны прерывания по таймеру? Ниже.

Управление светодиодами

Весьма сложно вычислять адрес определённого цвета и светодиода. Он складывается из номера драйвера, номера сегмента, номера "цифры" в сегменте в зависимости от цвета. Сделать тупо бегущий огонь - это уже куча перерасчётов.

Я сделал нечто "видеопамяти". Некоторый буффер, в котором хранятся значения цветов для каждого светодиода. Элементарное обращение - через несколько функций, которые знают в какую часть массива "видеопамяти" полезть и какие биты прочитать/изменить.

Каждая ячейка состоит из 2х бит - цвета.
enum LedStatus{ lsOff, lsGreen, lsRed, lsOrange };
Говорящие названия - комментировать не нужно.

Выделяем память под массив "видеопамяти" и флажок - признак того, что содержимое памяти изменилось и нужно снова посылать новые значения в драйверы.
char buffman_changed = 0; char buffman_data[13];

Функции для манипуляции с массивом таковы:
LedStatus buffman_get(unsigned int num) { if (num > 52) return lsOff; int bitcount = (num * 2); int off_bit = bitcount % 8; return (LedStatus) ((buffman_data[bitcount/8] & (3 << off_bit)) >> off_bit); } void buffman_setAll(LedStatus stat) { unsigned char mask = stat << 0 | stat << 2 | stat << 4 | stat << 6; for(int i = 0; i < 13; i++) buffman_data[i] = mask; buffman_changed = 1; } void buffman_set(unsigned char num, LedStatus stat) { if (num > 51) return; int bitcount = (num * 2); int off_byte = num >> 2, off_bit = bitcount % 8; buffman_data[off_byte] = (buffman_data[off_byte] & ~(3 << off_bit)) | (((char)stat) << off_bit); buffman_changed = 1; }
Суть одна - умеют работать с "видеобуфером".

Самое интересное - то как эта "видеопамять" отображается на массив. По таймеру.
ISR(TIMER0_OVF_vect) { int mask = 0; if (!buffman_changed) return;


    for(int i = 0; i < 15; i++) {

mask = 0;

for(int j = 0; j < 4; j++) {

switch(buffman_get(i*4+j)) {

case lsOff: continue;

case lsOrange: mask |= 2 << redMatrix[j] | 1 << greenMatrix[j]; break;

case lsRed: mask |= 2 << redMatrix[j]; break;

case lsGreen: mask |= 1 << greenMatrix[j]; break;

}

}

if (i < 8) { outBytesChip2(i+1, mask); } else { outBytesChip1(i-7, mask); } } }
По прерыванию в цикле пробегается по всем сегментам - группам светодиодов(по 4), в зависимости от значения в "видеобуфере" формируется с помощью масок формируется отправляемое значение.

При том, маска для каждого номера светодиода и цвета в определённой позиции лежит в
static unsigned char redMatrix[] = {4, 2, 0, 6}, greenMatrix[] = {6, 4, 2, 0};

А теперь можно в цикле рисовать в массиве через через buffman_set() с определённой задержкой - и эти изменения практически моментально отразятся на светодиодной линейке.

Наример вот такая прошивка:
int main(void) { init();


    buffman_setAll(lsOff);
    int dir = 1, i = 1;

LedStatus ls = lsRed;

do {

buffman_set(i-1, lsOrange);

buffman_set(i, lsRed);

buffman_set(i+1, lsRed);

buffman_set(i+2, lsGreen);

if (i == 0 || i == 49) dir = - dir;

i+=dir;

wait(25);

if (i%2) buffman_set(0, (buffman_get(0) == lsOff ? lsRed : lsOff ));

if (i%2==0) buffman_set(51, (buffman_get(51) == lsOff ? lsRed : lsOff ));
    } while( 1 );

return 0; }
Делает вот такое:

Ещё вот баловался:

На этом всё

На этом всё. Поиграл - и хватит. Делюсь файлами.
Полный текст прошивки:
#include <avr/io.h> #include <avr/eeprom.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/pgmspace.h> #include <util/delay.h>


#define PIN_CS1 4

#define PIN_CS2 5
// Clock duration

#define CLOCK_TIME_MS 0.0005
#define LOW 0

#define HIGH 1
static unsigned char redMatrix[] = {4, 2, 0, 6}, greenMatrix[] = {6, 4, 2, 0};
enum LedStatus{

lsOff, lsGreen, lsRed, lsOrange

};
char buffman_changed = 0;

char buffman_data[13];
LedStatus buffman_get(unsigned int num) {

if (num > 52) return lsOff;

int bitcount = (num * 2);

int off_bit = bitcount % 8;

return (LedStatus) ((buffman_data[bitcount/8] & (3 << off_bit)) >> off_bit);

}

void buffman_setAll(LedStatus stat) {

unsigned char mask = stat << 0 | stat << 2 | stat << 4 | stat << 6;

for(int i = 0; i < 13; i++) buffman_data[i] = mask;

buffman_changed = 1;

}

void buffman_set(unsigned char num, LedStatus stat) {

if (num > 51) return;

int bitcount = (num * 2);

int off_byte = num >> 2, off_bit = bitcount % 8;

buffman_data[off_byte] = (buffman_data[off_byte] & ~(3 << off_bit)) | (((char)stat) << off_bit);

buffman_changed = 1;

}
void led_cs1(char x) {

PORTC = x ? PORTC | _BV(4) : PORTC & ~_BV(4);

}

void led_cs2(char x) {

PORTC = x ? PORTC | _BV(5) : PORTC & ~_BV(5);

}

void led_clk(char x) {

PORTD = x ? PORTD | _BV(7) : PORTD & ~_BV(7);

}

void led_din(char x) {

PORTD = x ? PORTD | _BV(6) : PORTD & ~_BV(6);

}

//#define led_din(x) PORTD = x ? PORTD | _BV(6) : PORTD & ~_BV(6);
void outputByte(unsigned char val) {

for(signed char i = 7; i >= 0; i--) {

led_din(val & (1 << i));

_delay_ms(CLOCK_TIME_MS /2);
        led_clk(HIGH);

_delay_ms(CLOCK_TIME_MS);
        led_clk(LOW);

_delay_ms(CLOCK_TIME_MS);

}

}
void outBytes(char pin, unsigned char reg, unsigned char dat) {

PORTC &= ~_BV(pin);

outputByte(reg);

outputByte(dat);

PORTC |= _BV(pin);

}
#define outBytesChip1(reg, dat) outBytes(PIN_CS1, reg, dat);

#define outBytesChip2(reg, dat) outBytes(PIN_CS2, reg, dat);
void outBytesChips(unsigned char reg, unsigned char dat) {

outBytesChip1(reg, dat);

outBytesChip2(reg, dat);

}
void init() {

// configure pins to output

DDRC |= _BV(5) | _BV(4);

DDRD |= _BV(6) | _BV(7);
    // pre-init drivers line

led_cs1(HIGH);

led_cs2(HIGH);

led_clk(LOW);
    // setup clock interrupt and prescaler

TCCR0 |= (1<<CS02)|(1<<CS00);

TIMSK |= (1<<TOIE0);

TCNT0 = 0;
    // initialize drivers

outBytesChips(0xc, (1)); // shutdown

outBytesChips(0xa, (15)); // intensity

outBytesChips(0x9, 0); // decode mode

outBytesChips(0xf, 0); // test mode

outBytesChips(0xb, 7); // scan limit
    // finally, enable interrupts

sei();

}
ISR(TIMER0_OVF_vect) {

int mask = 0;

if (!buffman_changed) return; 
    for(int i = 0; i < 15; i++) {

mask = 0;

for(int j = 0; j < 4; j++) {

switch(buffman_get(i*4+j)) {

case lsOff: continue;

case lsOrange: mask |= 2 << redMatrix[j] | 1 << greenMatrix[j]; break;

case lsRed: mask |= 2 << redMatrix[j]; break;

case lsGreen: mask |= 1 << greenMatrix[j]; break;

}

}
        if (i < 8) {

outBytesChip2(i+1, mask);

} else {

outBytesChip1(i-7, mask);

}

}

}
inline void wait(float ms) {

for(; ms > 0; ms-=1) _delay_ms(1);

}
int main(void)

{

init();
    buffman_setAll(lsOff);
    int dir = 1, i = 1;

LedStatus ls = lsRed;

do {

buffman_set(i-1, lsOrange);

buffman_set(i, lsRed);

buffman_set(i+1, lsRed);

buffman_set(i+2, lsGreen);

if (i == 0 || i == 49) dir = - dir;

i+=dir;

wait(25);

if (i%2) buffman_set(0, (buffman_get(0) == lsOff ? lsRed : lsOff ));

if (i%2==0) buffman_set(51, (buffman_get(51) == lsOff ? lsRed : lsOff ));
    } while( 1 );
    return 0;

}

А также запакованный вариант - вместе с мейкфайлом и прошивкой: led-line-firmware.tar.gz

UPD

Выкладываю ещё одну демо-прошивку и видео к ней. Есть три функции, выполняющие каждая свой эффект, вызываются циклически по очереди, с плавным переходом(после каждого эффекта уменьшается яркость с помощью встроенного в драйверы ШИМа)

inline void wait(int ms) { for(; ms > 0; ms-=1) _delay_ms(1); }


void e1() {

int dir = 1, i = 1;

for(int j = 0; j < 300 ; j++) {

buffman_set(i-1, lsOrange);

buffman_set(i, lsRed);

buffman_set(i+1, lsRed);

buffman_set(i+2, lsGreen);

if (i == 0 || i == 49) dir = - dir;

i+=dir;

wait(25);

if (i%2) buffman_set(0, (buffman_get(0) == lsOff ? lsRed : lsOff ));

if (i%2==0) buffman_set(51, (buffman_get(51) == lsOff ? lsRed : lsOff ));

}

}

void e2() {

LedStatus ls = lsRed;

int i = 1, len=6, end = 52;;

int delay = 14;

while(end > 0) {

for(i = 0; i < end;i++) {

for(int k = 0; k < len; k++) {

buffman_set(k+i, ls);

}

buffman_set(i-1, lsOff);

wait(delay);

}

delay++;

end--;end--;

if (ls == lsRed) ls = lsGreen;

else if (ls == lsGreen) ls = lsOrange;

else if (ls == lsOrange) ls = lsRed;

}

}
void e3() {

for(int dir = 1, i = 1, j = 0; j < 400; j++) {

buffman_set(i, lsRed);

buffman_set(dir>0?i+1:i-1, lsRed);

buffman_set(i-dir, lsOff);
        buffman_set(52-i, lsGreen);

buffman_set(52-i-(dir>0?+1:-1), lsGreen);

buffman_set(52-i+dir, lsOff);
        if(i > 52/2-10) {

for(int k = 0; k < i-20; k++) {

buffman_set(k, lsOrange);

buffman_set(52-k, lsOrange);

}

}
        i += dir;

if (i == 0 || i == 52/2) dir = - dir;

wait(31);

}

}
void (*examples[]) (void) = { &e3, &e2, &e1};
int main(void)

{

init();
    buffman_setAll(lsOff);
    for(int i = 0; ; i = ++i % (sizeof(examples)/sizeof(examples[0]))) {

examples[i]();

for(int b = 15; b > 1; b--) {

outBytesChips(0xa, (b)); // intensity

wait(150);

}

buffman_setAll(lsOff);

wait(300);

outBytesChips(0xa, (15)); // intensity
    }

return 0; }
Обожаю си за возможность писать такие выверты :)
Всю прошивку можно скачать с исходниками: ledline-firmware-3-effects.tar

Ну и видео