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RGB-Ticker M8 AVR-Anwendungen

RGB-Ticker 8x8 mit ATmega8
Hardware, Aufbau, Anwendung und Software für den RGB-Ticker		 Logo

RGB-Ticker ATmega8

  1. Eigenschaften
  2. Hardware
  3. Aufbau
  4. Software
  5. RGB-Designer
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64 LEDs, jede mit drei Farben macht 192 PWM-Ansteuerungen mit je 256 Stufen macht zusammen 49.152 Vergleiche pro Durchlauf, und das mit 50 oder 100 Hz Multiplexgeschwindigkeit! Geht das überhaupt mit einem einzigen Mikroprozessor oder braucht man dazu eine ganze Farm derer? Ja, es geht, und zwar schon ab popeligen 2 MHz Takt, aber nur in Assembler.

1 Eigenschaften des RGB-Tickers mit ATmega8

Die Hardware-Eigenschaften des beschriebenen RGB-Tickers:

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2 Hardware

2.1 Prozessorteil

Prozessor-Teil Dies ist der Prozessorteil des Schaltbilds. Es zeigt den Controller ATmega8 im 28-poligen PDIP-Gehäuse. Er wird mit einem Quarz von 16 MHz getaktet (verwendbar sind alle Quarze ab 2 MHz aufwärts, seine Frequenz ist im Assembler-Quellcode anzugeben und neu zu assemblieren).

Die folgenden Ports des ATmega8 erfüllen folgende Aufgaben:
  1. Die unteren vier Bits im Port B schalten die Transistoren der vier Kathodentreiber ein und aus. Es ist jeweils nur eines der vier Bits aktiv. Während des Schreibens der Anodenspeicher ist keines der vier Bits an. PB3 (Doppelnutzung für ISP unproblematisch), PB4 und PB5 sind noch mit dem ISP6-Stecker verbunden, über den der ATmega8 in der fertigen Schaltung programmiert werden kann.
  2. Die fünf Bits von Port C steuern die Adressen der Latch-Enable-Eingänge der fünf Speicher an. Sie sind aktiv High und schreiben den Inhalt des Datenports D in jeweils einen der fünf Speicher.
  3. Alle acht Bits von Port D stellen die Dateneingänge der Speicher für die Anodentreiber bereit, die mit Latch Enable geschrieben werden. Nach dem Schreiben der Speicher steuert der Port die acht rechten blauen Anodentreiber an. Die Anoden werden mit Nullen ein- und mit Einsen PWM-angesteuert ausgeschaltet.
Soll ein anderer Prozessortyp verwendet werden (z. B. ATmega16 oder ATmega64, um mehr Flash-Speicher nutzen zu können), müssen diese Ports umkonfiguriert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Kathodentreiber- und die Latch-Enable-Ports jeweils mit Bit 0 beginnen (ansonsten muss die Software entsprechend umgeschrieben werden. Bei 40-poligen Typen bleiben entsprechende Portpins ungenutzt. Natürlich muss die geänderte Portbelegung auch in der Software entsprechend umkonfiguriert werden.

Der Reset-Pin liegt mit 10 k an Plus und ist mit der ISP6-Schnittstelle verbunden. Die AD-Wandler-Anschlüsse AREF und AVCC werden nicht benötigt.

Die Stromversorgung des ATmega8 ist mit 5 V verbunden und mit einem 10 nF-Keramikkondensator gegen Stromspitzen im Prozessor geblockt.

Alle Anschlüsse zur Speicher- und Treiberplatine sind an einen 26-poligen Winkelstecker geführt, der mittels Flachkabel mit dieser verbunden werden kann. Als Stecker sollte in jedem Fall ein Wannenstecker verwendet werden, damit keine Verpolung erfolgen kann. Die beiden Versorgungsanschlüsse VCC und GND sind wegen der großen Ströme vierfach belegt, so dass die Versorgung auch an die Prozessorplatine angeschlossen werden kann und die Treiber- und Anzeigeplatine mit versorgt.

2.2 Zwischenspeicher- und Anzeigentreiber-Teil

Schaltbild Speicher und Teiber Dies ist der Speicher- und Treiber-Teil der Schaltung. Er besteht aus Die 48 Anodenanschlüsse zur Anzeigenplatine können mit zwei 24-poligen Steckanschlüssen links und rechts realisiert werden. Für die vier Kathodenanschlüsse kann ein zusätzlicher 8-poliger Stecker (je vier Anschlüsse verbunden) verwendet werden.

Die elendig große Transistor- und Widerstandsfarm ist deswegen notwendig, weil es Anodentreiber-ICs selbst für nur 25 mA kaum zu kaufen gibt und weil die 74HCT373 lediglich 6 mA am Ausgang liefern und das viel zu wenig für eine anständige LED-Helligkeit ergäbe. Selbst 74244 oder 74373 liefern nur geringfügig mehr, so dass auch diese nicht als Anodentreiber in Frage kommen. Die Farm ist leider unvermeidbar.

Die im Datenblatt der RGB-Leds angegebenen typischen Forward-Voltages der grünen und blauen LEDs von 3,6 V stimmen übrigens nicht: es sind nur etwa 3,1 V. Folgt man dem Datenblatt, müsste der Widerstand für grün und blau nur 41 Ω sein. Die zunächst verbauten 39 Ω erwiesen sich als viel zu niedrig!

Da zum Treiben der LEDs keine Konstantstromregelung eingesetzt wird (dafür wären weitere 96 Dioden zu verbauen gewesen), ist der LED-Strom etwas von der Sättigungsspannung der Kathodentreiber-Transistoren abhängig, also je nachdem, ob und wie viele der LEDs und ihrer drei Farben zweier Achterreihen (Imax = 2 * 8 * 3 * 25 = 1.200 mA) gleichzeitig eingeschaltet sind. Das Diagramm zeigt die Ströme der drei Farben einer LED bei 20 bis 1.200 mA Kathodentreiberstrom an.

LED-Strom bei Uce-Sat Die LED-Ströme unterscheiden sich etwas, je nachdem wieviele LEDs einer Reihe angetrieben werden müssen. Die Grün- und Blauströme vermindern sich etwas steiler als der Rot-Strom. Da der Helligkeitseindruck bei 28 mA und 24 mA bzw. 18 mA aber sehr ähnlich ist, weil die Helligkeit im Sättigungsbereich der LEDs liegt und auch die Sättigung des menschlichen Auges keine Unterscheidung mehr ermöglicht. Puristen können entweder Transistoren mit niedrigerem UCE(sat) verbauen oder den Unterschied durch Feineinstellung der Farbwerte korrigieren, indem sie in die RGB-Designer-Software eine feinfühlige Korrektur einbauen, die genau auswertet welche und wieviele LEDs bei jedem Multiplexzyklus gleichzeitig eingeschaltet sind und die Farbwerte entsprechend korrigieren. Man kann auch einen Weißabgleich durchführen, indem man alle drei Farben auf die gleiche Helligkeit bringt (aber bitte nicht alle Zeilen gleichzeitig auf 255, das verbrät zu viel Strom und der Kühlkörper glüht) und schaut, ob sich die drei Farben zu reinweiß mischen oder einen Rot-, Grün- oder Blau-Stich haben.

2.3 Displayteil

Schaltbild Anzeigeteil Dies stellt die Verdrahtung der 64 LEDs dar. Es ist für RGB-LEDs mit gemeinsamer Kathode ausgelegt. Die R-, G- und B-Anschlüsse der LEDs der linken vier und der rechten vier Spalten sind miteinander verbunden, so daß jeweils drei Signalleitungen nR, nG und nB zu den linken (nRL, nGL und nBL) und den rechten (nRR, nGR und nBR) Anodentreibern führen. Die Kathoden sind spaltenweise verbunden, die linken Kathodenreihen K1 bis K4 sind jeweils mit den rechten Kathodenreihen K5 bis K8 verbunden und werden vom gleichen Kathodentreiber gespeist, der im Maximalfall (alle Farben beider Spalten voll an) einen Strom von 3*16*25 mA = 1,2 A treiben können muss. Der BD239 kann das, aber auch viele andere NPN-Leistungstransistoren im TO220-Gehäuse.

2.4 Netzteil

Netzteil fuer 8x8-RGB Das Netzteil muss folgende Eigenschaften besitzen:
  1. Es muss stabile 5 V liefern, da der Strom durch die LEDs über strombegrenzende Widerstände von dieser Spannung abhängt.
  2. Da jeweils 16 LEDs mit maximal 25 mA und mit drei Farben angetrieben sein können (alle LED mit den drei Farben auf voller Leuchtstärke gleich hellweiß), beträgt die maximale Strombelastung des Netzteils 1,2 A. Daher muss der Trafo bei 7,5 V Spannung 10 VA leisten.
  3. Der Spannungsregler muss ebenfalls 1,2 A leisten. Seine Temperatur muss mit einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von maximal 10 K/W begrenzt werden.
Im Schaltbild ist so ein Standard-Netzteil mit einem 2*7,5 V-Trafo mit seiner Dimensionierung zu sehen. Die beiden Dioden müssen eine größere Leistung abkönnen als es eine 1N4001 könnte.

Netzteilspannung ohne Last Das hier simuliert das dargestellte Netzteil (siehe die Power-Supply-Software hier). Die Spannung am Elko bleibt ohne Last bei deutlich unter 16 V, deshalb kommen die Elkos mit einer Spannungsbelastbarkeit von 16 V aus.

Netzteilspannung bei 1200 mA Last Das hier ist die Netzteilspannung bei 1.200 mA Last. Der Elko von 4700 µF ist gerade so ausreichend.

Das Netzteil wurde mit einer Dauerlast von 0,83 und 1,10 A getestet. Bei 0,83 A tritt keinerlei, bei 1,10 A tritt ein leichtes Ripple von 0,1 V auf. Sind nicht alle 64 LEDs gleichzeitig hell rein weiß, dürfte der Elko die Verbrauchsspitze ausmitteln und das Netzteil ausreichend stabil sein. Die Temperaturen der zwei Dioden, des Trafos und des Spannungsreglers bleiben auch im Dauerbetrieb mit 0,83 A unter 40°C, nur der Kühlkörper wird recht warm und bei 1,1 A auch ordentlich heiß.

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3 Aufbau

Stueckliste Die Hardware besteht aus drei gestapelten Platinen mit jeweils 100*80 mm Größe:
  1. im Erdgeschoss die Netzteil- und Prozessor-Platine,
  2. im ersten Stock die Speicher- und Treiber-Platine, und
  3. im zweiten Stock die LED-Platine.
Alle Platinen sind Epoxid-Lochraster-Platinen und mit lötbarem Kupferlackdraht verdrahtet. Die Platinen (1) und (2) sind einseitig beschichtet, die Platine (3) ist beidseitig beschichtet (wegen der Stecker nach unten).

Alle Komponenten zusammen belaufen sich auf etwa etwa 75€, knapp die Hälfte für die RGB-LEDs.

3.1 Netzteil- und Prozessor-Platine

Controller- und Netzteil-Platine Controller und Netzteil passen auf eine Platine. Der gerippte Kühlkörper mit 10 K/W und der Spannungsregler sind mit einer M3-Schraube fest mit der Platine verschraubt, wegen der erhöhten Temperatur sollte es eine Epoxid-Ausführung sein, weil Hartpapier bei 50°C arg altert. Sonst muss man Spannungsregler und Kühlkörper mit einem Luftspalt etwas erhöht montieren. Vertikale Montage würde die Gesamthöhe erhöhen.

Der 26-polige Wannenstecker sollte gewinkelt sein, damit er über den Rand der Platine etwas hinausragt und das Flachbandkabel zur Speicher-und Treiber-Platine bündig platziert werden kann. Je zwei M3-Distanzbolzen mit 20 mm und Innen- und Außengewinde an allen vier Ecken halten die aufgesetzte Speicher- und Treiber-Platine auf 40 mm Abstand. Bei aufgestelltem Kühlkörper muss die Distanz auf 50 mm erhöht werden.

Netzteil Netzteil von oben

Netzteildioden

3.2 Speicher- und Treiber-Platine

Speicher- und Treiber-Platine So sind die Komponenten auf der Speicher- und Treiber-Platine platziert.

Die zwei oberen 74HCT373 und die acht ungepufferten Datenleitungen sind für die rechte Displayseite zuständig, die drei unteren für rechts.

Die Transistoren passen nicht ganz in das Raster und müssen abwechselnd nach links und nach rechts versetzt montiert werden. Eine Variante beim Einbau der Transistoren ist es, die Emitter nicht einzulöten sondern oberhalb der Platine und des Basiswiderstands abzubiegen und mit dickem Draht zu verlöten. Die Basiswiderstände können dann direkt an die Basen herangeführt und die beiden Lötaugen direkt miteinander verbunden werden. Außerdem kann dann sehr dicker Draht für die Emitterzusammenschaltung verwendet werden, da sich die Anodenströme auf insgesamt 1,2 A summieren können, wenn alle Anoden beider Kathodenreihen eingeschaltet sind (zu Beginn der PWM-Phase kommt das oft vor und ist sogar die Regel).

3.3 LED-Platine

Led-Platine Die LEDs sind im Raster angeordnet. Ihre Verdrahtung erfolgt gemäß Schaltbild.

LED-Montageschema Die RGB-Dioden passen übrigens so wie hier gezeichnet nicht in das Lochraster. Die vier Anschlüsse hätten bei Anordnung in einer Lochreihe nicht auf das 8 cm-Board gepasst. Um eine regelmäßige Anordnung zu erreichen, wurde entschieden, die vier Anschlüsse jeder LED auf drei Reihen und drei Spalten zu verteilen, wie das nebenstehende Bild demonstriert. Jede LED beansprucht daher 7,62 mm Länge und Breite. Jeweils acht davon ergeben horizontal und vertikal ein Feld von 61 mm * 61 mm und nutzt daher nicht die gesamte Fläche von 10 * 8 cm aus.

LED-Montage So sieht folglich das gesamte Leuchtfeld mit allen LEDs und einer passenden Plexiglasabdeckung aus.

Die beiden Pfostenstecker links und rechts sollten exakt in die entsprechenden Buchsenleisten der darunter liegenden Speicher- und Treiberplatine passen. Ebenso die vier Kathoden-Pins. Man achte darauf, keine zu kurzen Pfosten zu verwenden, damit alles passt.

3.4 Aufbaureihenfolge

Bei der manuellen Verdrahtung empfiehlt es sich, die Netzteilplatine mit dem Prozessor zuerst und danach die LED-Platine fertig zu stellen, da diese ohne Weiteres gezielt getestet werden können. Die LEDs zum Beispiel mit einer Spannung von 0 V am Kathodenanschluss und einem Vorwiderstand von z.B. 100 Ohm an +5 V am Anodeneingang.

Bei der Verdrahtung der Speicher- und Treiberplatine sollte mit der Verdrahtung der Latch-Enable-Eingänge begonnen werden und der rechten Seite der LEDs begonnen werden. Dann sollten nach und nach die roten, grünen und blauen LEDs der letzten Spalte bestückt werden, da bei der Bestückung der blauen LEDs in dieser Spalte auch die Datenleitungen zu den Latches zu verlegen sind. Mit der vollständigen Bestückung dieser Spalte sind alle Datenleitungen der Latches verdrahtet und diese können getestet werden.

3.5 Softwarehilfen für Inbetriebnahmetests

Einzel-LED testen Bei der Verdrahtung der Latches, der Anodentreiber und der LEDs kann man viele Fehler machen. Um das Finden solcher Fehler zu vereinfachen, sind in der Software diverse Diagnosemöglichkeiten eingebaut. Diese können mit Softwareschaltern eingeschaltet werden, mit Neuassemblieren in Hexcode umgesetzt und testweise in den ATmega gebrannt werden.

So kann z. B. unter Angabe der LED-Zeile und Spalte und der Farbe eine ganz bestimmte LED mit einer einzigen Farbe gezielt eingeschaltet werden. Hat man gerade diese LED verdrahtet, kann man sie testen. Man beginnt damit nach Bestückung der ersten drei Anodentreiber in Zeile 1, indem man die Software auf Row = 1 und Column = 8 der LED-Matrix einstellt und diese nacheinander auf Rot, Grün und Blau einstellt. Wenn alles richtig war, sollte die erste LED jetzt in diesen Farben angehen.

Ich habe mit diesem Tool ganz viele Verdrahtungsfehler identifizieren können und es erwies sich als extrem hilfreich.

Man kann damit auch Ströme durch die LEDs messen: einfach mit dem Multimeter in der Stromeinstellung den aktiven Anodentreiber mit dem Multimeter mit dem aktivierten Multiplexausgang verbinden. Nicht erschrecken, wenn das knapp 50 mA Strom anzeigt: schaltet man die LED mit der korrekten Farbe dazwischen (Gemeinsame Kathode an den Multiplex-Pin, Anode rot/grün/blau an den Anodentreiber-Pin), geht der Strom auf ca. 25 mA zurück.

In dieser Software ist noch ein Gimmick enthalten: man kann die ausgewählte LED mit der ausgewählten Farbe wahlweise im 25 mA-Dauerbetrieb und mit 1:4-Multiplexbetrieb laufen lassen, um zu sehen, ob die Helligkeit im Multiplexbetrieb niedriger ist. Wie Sie sehen, sehen Sie nix! Erst bei 1:8 (schwach) oder gar bei 1:16 sieht man eine nennenswerte Abnahme der Helligkeit im eingestellten Sekundentakt.

Mehr zu den Einstellungen der Software ist hier zu lesen.

Die Hardware-Testschalter schalten den normalen Programmablauf aus und verzweigen stattdessen zu dem entsprechenden Testcode:
  1. Die Funktion Debug_SP schaltet die LEDs einer ausgewählten Spalte 1..8 (Parameter cDbgSPCol zwischen 1 und 8) auf eine ausgewählte Farbe (Parameter cDbgSPColor, 1=rot, 2=grün, 3=blau). Damit kann die korrekte Verdrahtung der LED-Spalten und LEDs, der Latches und der Kathodentreibertransistoren überprüft werden.

    Debug Spalte Im Bild rechts sollte Spalte 1 auf grün geschaltet sein, tatsächlich sind aber auch noch die unteren fünf roten LEDs der Spalte 5 auf rot geschaltet. Hier lag ein Kurzschluss zwischen dem Latch Enable des rechten roten Latches vor. Ohne den Hardware-Debug dürfte der Fehler kaum zu finden gewesen sein.

  2. Mit der Funktion „Debug_SL“ kann eine einzelne LED in einer ausgewählten Zeile (cDbgSLRow, 1..8) und Spalte (cDbgSLCol, 1..8) auf eine vorgewählte Farbe (cDbgSLColor, 1=rot, 2=grün, 3=blau) gesetzt werden.

    Debug Einzel-LED Im Beispiel war die Reihe 8 in der Spalte 1 auf Rot gesetzt worden, es ging aber die LED in Reihe 7 an. Selbiges passierte mit den Reihen 5 und 6. Es stellte sich heraus, dass die Datenreihen an der 26-poligen Steckverbindung seitenverkehrt verdrahtet waren. Nach dem Umlöten auf die jeweils andere Seite des Steckers war dann alles korrekt.

  3. Die Funktion „Debug_HW“ lässt nacheinander alle Spalten in rot, grün und blau leuchten. Die Dauer lässt sich mit der Konstanten cDebug_HW_delay in 10 ms-Schritten wählen.
  4. Die Funktion „Debug_blueright“ macht einfach nur die letzte Spalte des Displays blau.


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4 Software

4.1 Warnung!

Zu Beginn der Software-Abteilung ein wichtiger Hinweis an Arduino-sozialisierte C-Freaks (oder sollte es besser heißen: Arduino-Opfer?), die keine andere Sprache als C können und Assembler für einen ausgemachten Blödsinn und für total Retro halten:

Versuche das nicht mit C zu lösen, Du kriegst nur viele graue Haare davon. Nämlich davon, herauszubekommmen, was der Compiler aus dem Code so alles macht und vor allem wann und wie lange. Da Du dazu sowieso versiert Assembler können musst: fange es gleich richtig herum an. Das hier ist ein Projekt, das nur in Assembler so richtig elegant geht und funktioniert, garantiert.

Der Grund dafür ist, dass die Aufgabe, in weniger als 20 Millisekunden genau 49.152 Vergleiche auszuführen, nur lösbar ist, wenn man Wie man das hinkriegt, wird mit dieser Software hier demonstriert.

4.2 Download

(Die Software ist noch nicht final, sie wird nachgeliefert, wenn qualitätsgesichert)

4.3 Assemblieren

Zum Assemblieren des Quellcodes ist ein Assembler vonnöten, der .IF-, .ERROR- und .MESSAGE-Direktiven versteht. Der mit dem Studio 4 und höher ausgelieferte Assembler 2 kann das. Wer nicht mit Windows arbeitet, kann sich meinen Assembler gavrasm entweder als ausführbare Linux-64 Version herunterladen oder für andere Betriebssysteme den Quellcode dafür und diesen mit FPC kompilieren. Wie das geht ist hier näher beschrieben.

Die vom gavrasm ausgegebenen zwei Warnungen kann man ohne Weiteres ignorieren. Sind Parameter falsch eingestellt, kriegt man Fehlermeldungen.

4.4 Flashen, Fuses

Die vom Assembler produzierte Hex-Datei ist in den Controller zu brennen. Dafür, dass das in der fertigen Schaltung geht, gibt es den ISP6-Stecker.

Beim Flashen ist noch die Oszillator-Fuse des ATmega8 von der werksseitigen Einstellung (links) auf den externen Quarz von 16 MHz umzustellen (rechts).

Default Fuses ATmega8 Fuses ATmega8 fuer 16MHz-Quarz

4.5 Software- und Hardware-Debugging

Als Testhilfen sind in der Software die nachfolgend beschriebenen Schalter eingebaut. Alle Schalter sind auf Eins zu setzen um sie zu aktivieren und auf Null um sie abzuschalten. Es sollte immer nur einer der Debugschalter eingeschaltet sein. In der Betriebsversion müssen alle Schalter auf Null gesetzt werden, damit das Programm normal abläuft.
  1. Debug-Schalter zur Software-Simulation im Simulator zur Messung von Durchlaufzeiten bei den verschiedenen Ablaufarten:
  2. Debug-Schalter zur Hardware-Überprüfung:
Nicht vergessen nach der Änderung mit einem .if-fähigen Assembler zu assemblieren und nach Ende der Testveranstaltung alle Debug-Schalter auszuschalten.

4.6 Adressierung der Hardware

Hardware-Adressen Die Organisation der LED-Schaltung in Spalten und Zeilen und nach den drei Farben ist grundlegend auch für die Software. Daher hier noch mal ein Überblick. Alle zweistelligen Zahlen sind in hexadezimalem Format.

Horizontal sind die beiden Parameter MUX und LE wichtig: In der Software sind Mux und LE in den beiden Registern rMux und rLE enthalten.

4.7 Optimale Organisation des Speichers

Damit 8 * 8 * 3 = 192 verschiedene pulsweitenregulierte Signaldauern erzeugt werden können, sind
  1. die 192 Anodentreiberbits (LED-Farbe an = Null oder aus = Eins) in 24 Bytes im SRAM ab der Adresse sBits: abgelegt:

    sBits im SRAM

    Die Anordnung der Bytes erfolgt vertikal nach den acht darzustellenden Spalten und horizontal nach den drei Farben, damit der Schreibprozess der Anodentreiberbits in die fünf Speicherlatches schnell vonstatten geht. Rechts ist noch zu sehen, bei welcher Multiplex-Phase welche Bits in die Latches zu schreiben sind (das sechste Latch ist der Port selbst),
  2. die 192 Vergleichswerte, die angeben, in welcher PWM-Phase das zugehörige Anodentreiberbit auf Eins gesetzt und damit die betreffende LED-Farbe ausgeschaltet werden muss, sind im SRAM ab Adresse sCmp: abgelegt:

    PWM-Vergleicher-Bytes

    Damit auch hier der Vergleich mit dem aktuellen PWM-Wert schnell geht, ist hier die gleiche Struktur wie bei den Bits gewählt: horizontal die acht Zeilen, jeweils mit 8 Bytes für die Farben R, G und B, und vertikal die acht Spalten.
Mit dieser Grundorganisation ist eine optimierte Gestaltung der Software möglich.

4.8 Optimierte Ablaufstufen der Software und Taktung

Programmablauf-Schleifen Zur Lösung der Aufgabe ist ein linearer Programmablauf notwendig, dessen Zeitablauf mit einer Verzögerungsschleife variabler Dauer eingestellt wird, um alle unterschiedlichen Ausführungszeiten letztlich auf die gleiche Zeitdauer bringen zu können. Mit Hilfe der Verzögerungsschleife wird erreicht, dass alle Verzweigungen im Programm gleich lang dauern. Egal ob
  1. nur die Anodentreiberbits der beiden nächsten auszugebenden Spalten an die fünf Latches und das sechste auf den Datenport ausgegeben und der aktive Kathodentreiber eingestellt werden sollen (ordinäres Multiplexen), oder ob zusätzlich
  2. der nächste PWM-Zyklus zu absolvieren ist (alle 192 Anodentreiberbits sind daraufhin zu überprüfen, ob ihr Vergleichswert erreicht ist - falls ja: Setzen des Treiberbits auf Eins und damit Ausschalten der betreffenden LED-Farbe), oder ob zusätzlich
  3. ein neuer PWM-Zyklus beginnt und alle Anodentreiberbits erst mal auf Null zu setzen sind (LED voll anschalten), oder ob zusätzlich
  4. alle Spalten um eine Position nach links zu schieben sind und von rechts die nächste Spalte aus dem Flash kopiert werden muss,
Der grundlegende Ablauf aller Programmschleifen ist im Diagramm abgebildet.

Es beginnt mit der Einstellung des nächsten Multiplexwertes durch Linksschieben des Registers rMux, das nacheinander die vier Multiplexkanäle 1+5, 2+6, 3+7 und 4+8 ansteuert. Ist das Bit 5 von rMux nach dem Linksschieben Null, handelt es sich um eine einfache Multiplex-Operation und die Software verzweigt zur Multiplex-Ausgabe: nach dem Absolvieren der Verzögerungsschleife mit dem Zählerwert Delay A werden die Anodentreiberbytes in die Latches geschrieben: Danach wird der Kathodentreiber der beiden betreffenden Kanäle gemäß rMux eingeschaltet. Die Programmschleife beginnt danach von vorne.

Erreicht Bit 5 von rMux beim Linksschieben zu Beginn der Schleife eine Eins, dann ist ein Multiplex-Zyklus vorbei und rMux beginnt wieder bei 1 für die Spalten 1+5. Dazu wird nun das Register rPwm um Eins erhöht und der nächste PWM-Zyklus ausgelöst. Ist rPwm nicht Null (Ende des PWM-Zyklusses noch nicht erreicht), werden nacheinander alle 192 Vergleichswerte mit dem aktuellen PWM-Wert verglichen und, bei Gleichheit, das betreffende Anodentreiberbit auf Eins geschaltet (LED-Farbe aus). Um den Zeitbedarf für diese Vergleiche zu kompensieren, wird der Verzögerungs-Wert auf Delay B eingestellt. Der weitere Ablauf ist dann wie beim normalen Multiplexen.

Hat rPwm beim Erhöhen Null erreicht (von 255 auf 0), ist der PWM-Zyklus zu Ende und alle Anodentreiber-Bits werden auf Null gesetzt (PWM-Zyklus-Start). Nun wird der PWM-Wiederholungszähler rRpt um Eins nach unten gezählt. Falls er nicht Null ist, wird der gleiche PWM-Zyklus erneut wiederholt und werden alle 256 PWM-Stufen durchlaufen. Der Verzögerungszähler wird auf den Wert Delay C gesetzt.

Erreicht rPwm Null, dann
  1. wird die Adresse des Flashzeigers um eine Spalte erhöht, überschreitet diese das Ende der gespeicherten Spalten, wird mit dem Flashspeicher von vorne begonnen,
  2. werden alle Vergleichswerte in sCmp: um eine Spalte nach links verschoben,
  3. wird die letzte Spalte in sCmp: mittels LPM aus dem Flash geladen, und
  4. wird der Verzögerungswert Delay D eingestellt.
Der weitere Ablauf erfolgt dann wie gehabt mit Verzögerungsschleife, Anodentreiberausgabe und Kathodentreiber-Einstellung auf rMux.

4.9 Defaultwerte der Software und Taktung

In der folgenden Tabelle sind alle Default-Einstellwerte der Software übersichtlich zusammengestellt. Die Einstellwerte können vor dem Assemblieren mit dem Editor geändert werden.

Takte Als Auswahl für die Taktfrequenz sind 2/4/8/16 MHz dargestellt. Bei Taktfrequenzen unter 2 MHz funktioniert die Software nicht, weil die verfügbaren Zeittakte nicht ausreichen. Möglich sind aber alle Taktfrequenzen oberhalb von 2 MHz, auch alle krummen.

Bitte beachten: die Anzahl Takte pro Runde ergibt sich nicht einfach aus dem Prozessortakt, der MUX-Frequenz und dem Speedfaktor, sondern bildet die Ganzzahlenmathematik des Assemblers ab (mit allen Rundungsvorgängen).

Wer einen krummen Quarz verwenden will, findet die Tabellenkalkulation für das gesamte Projekt als Open-Office-Tabelle. Einfach in alle grün hinterlegten Felder die eigene Einstellung eingeben und durch Herumspielen mit den Einstellungen dafür sorgen, dass keine Werte negativ werden. Es umfasst auf weiteren Blättern auch noch weitere Berechnungen, z. B. der Led-Widerstände, der Kühlkörper-Temperatur und der Maximallast zu PWM-Beginn.

Multiplex-Kanaele Die MUX-Frequenz umfasst vier Durchläufe der Multiplexschleife. Sie ist bei 2 MHz per Default auf 50 Hz eingestellt, kann aber auch größer sein. Allerdings gehen Erhöhungen auf Kosten der Tickergeschwindigkeit. Bei den höheren Taktfrequenzen sind etwas höhere MUX-Frequenzen eingestellt.

Der Beschleunigungsfaktor (Konstante speedfactor) verkürzt die Dauer pro MUX-Durchlauf auf entsprechend kürzere Zeiten, so dass für die Einstellung der Tickergeschwindigkeit (Konstante cRpt mehr Geschwindigkeit und eine feinfühligere Einstellung möglich wird.

Ist die eingestellte Kombination nicht möglich, weil sie den verfügbaren Zeitrahmen überschreitet, wird beim Assemblieren eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.

Aus den drei Werten f für die Taktfrequenz in MHz, MUX für die MUX-Frequenz in Hz und dem Beschleunigungsfaktor speedfactor ergeben sich nach der Formel
T (Takte) = 1.000.000 * f / MUX / speedfactor

die Anzahl Prozessortakte, die pro Loop-Runde zur Verfügung stehen.

In der Tabelle der notwendigen Takte stehen die Anzahl Takte, die für die Erledigung der jeweiligen Aufgabe benötigt werden. In der Spalte Gesamt stehen die Anzahl Takte aufsummiert, die bei dem entsprechenden Rundendurchlauf benötigt werden. Zusätzlich ist noch die Anzahl Takte angegeben, über die die Kathodentreiber während des Schreibens der Speicherlatche abgeschaltet sind (woraus sich durch Teilen durch die Taktzyklen pro Runde das Kathodenabschaltdauer-Verhältnis in der letzten Tabellenzeile ergibt).

In den nachfolgenden Zeilen sind die Anzahl Wartetakte für die vier Verzweigungen angegeben. Sie ergeben sich durch Subtraktion der notwendigen Takte von den Taktzyklen pro Runde. Aus den Wartetakten ergibt sich für die 16-Bit-Verzögerungsroutine 

Delay:
  sbiw R24,1 ; Abwaerts zaehlen, +2 Takte = 2
  brne Delay ; Weiter zahelen, +1 = 3 am Ende, +2 = 4 fuer nicht beendet
mit der Formel
N = 4 * (Z - 1) + 3 = 4 * Z - 1

die Anzahl Takte N aus dem Schleifenzähler Z und, durch Umformung, die Gleichung
Z = (N + 1) / 4

für die Berechnung des Schleifenzählers Z aus der Anzahl Takte N. Die Zahlenwerte sind in der Software als Konstanten mit der Benennung cDlyA bis cDlyD angegeben. An den Zahlen sieht man, dass beim Spaltenwechsel nur recht kurze Verzögerungszeiträume übrig bleiben. Werden Werte negativ, muss der Beschleunigungsfaktor oder die MUX-Frequenz verringert werden. Werte kleiner 10 sollten vermieden werden, da Verzögerungen bei kleineren Nebenabläufen durch Abziehen von der Konstante kompensiert werden.

Die möglichen Wiederholraten für PWM-Durchläufe sind für etwa eine Sekunde bemessen angegeben. Linear schnellere oder langsamere Schiebegeschwindigkeiten im Display kriegt man durch Absenken oder Erhöhen der Konstante cRpt hin.

Viel Erfolg beim Optimieren, Experimentieren und Anpassen an den eigenen Bedarf und Geschmack.

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5 RGB-Designer zur komfortablen Erstellung von Ticker-Textfolgen

RSG-Designer Es wäre etwas mühsam, 8 kByte Flash-Speicher mit .db-Direktiven manuell zu füllen und den sich bewegenden Text als Zahlenwerte mit .db in den Quelltext einzugeben. Obwohl das natürlich auch ginge ...

Mit dem rgb_designer geht das rapp-zapp, ein bisschen Handarbeit ist aber noch nötig. Nach dem Start meldet sich das Programm mit einem leeren Speicher (alle LEDs im 8x8-Matrixfeld sind schwarz).

Das Programm ist in Lazarus-Pascal geschrieben. Den Quellcode gibt es hier, die ausführbare Programmdatei für Windows-64-Bit hier.

Klickt man auf eine der 64 Leuchtdioden-Symbole in der Matrix, öffnet sich ein Farbauswahldialog. Stellt man dort eine andere Farbe ein und schließt den Dialog mit Ok, dann ändert sich die Farbe dieser Diode entsprechend.

In den beiden Sektionen Color 1 und Color 2 lassen sich zwei Farben voreinstellen. Entweder Die eingestellte Farbe erscheint im runden Feld links oben.

Mit dem Knopf to position wird die eingestellte Farbe an diejenige Position der Matrix kopiert, die mit dem horizontalen und dem vertikalen Schieberegler in der Gruppe 8-by-8 matrix eingestellt ist. Entsprechend färben die Knöpfe to column die gesamte mit dem Horizontalregler eingestellte Spalte, to row die gesamte Zeile mit dieser Farbe. to all macht die gesamte Matrix mit dieser Farbe bunt.

Umgekehrt entnimmt der Knopf Pick die Farbe an der eingestellten Position als aktuelle Farbe, mit der dann weitergearbeitet werden kann.

Um weitere Spalten zu erzeugen, gibt es den Knopf Add. Er fügt eine Spalte hinzu (sofern das noch in den Flashspeicher des Prozessors passt) und kopiert den Inhalt der letzten Spalte der Matrix in die hinzugefügte Spalte. Mit dem Schieberegler in der Gruppe Columns kann man die anzuzeigenden acht Spalten der Matrix auswählen. Das Nur-Lese-Eingabefeld zeigt immer die Nummer der linkesten angezeigten Spalte an.

Maximal können mit dem ATmega8 328 solcher Spalten gespeichert werden. Dabei sind 300 Bytes für das Programm reserviert. Wählt man in der Gruppe Project einen anderen AVR-Typ aus dem Aufklappfeld Device aus, kann man mehr Spalten einstellen. Allerdings muss dann auch das Programm an den anderen Prozessor angepasst werden.

Der Projektname im Eingabefeld Name kann frei gewählt werden. Es sollten nur in Dateinamen zulässige Zeichen verwendet werden. Der Knopf Save sichert die eingestellten Farbspalten in einer Tabelle auf der Festplatte. Es handelt sich um eine reine Textdatei mit dem Dateityp .inc, die direkt mit der Direktive .include "name.inc" in den Assembler-Quellcode eingelesen werden kann. Sie beginnt mit dem Label RGBTable: und endet mit dem Label RGBTableEnd:. Für jede Spalte werden acht Bytes Rot-Werte, acht Bytes Grün-Werte und acht Bytes Blau-Werte geschrieben und vom Assembler in den Flash-Speicher übernommen. Der Name der Datei entspricht dem eingegebenen Projektnamen, der Speicherort ist grundsätzlich das Verzeichnis, in dem der rgb_designer liegt. Als Beispiel ist die Datei TQBFJOTLD.inc im gezippten Quellcode enthalten.

Mit dem Knopf Load können bereits gespeicherte Dateien eingelesen und erneut editiert und unter gleichem oder anderem Namen wieder abgespeichert werden. Mit dem sich öffnenden Dateidialog kann die Datei auch in ein anderes Verzeichnis abgelegt werden.

Clear verwirft nach Rückfrage und gegebenenfalls Speichern alle Änderungen und beginnt von Neuem.

In der Gruppe Text kann

Der Default-Text zeichnet sich dadurch aus, dass er alle Buchstaben des Alphabets mindestens einmal enthält.

In der Sektion Currents werden die Ströme durch die Leuchtdioden berechnet. Dazu sind die Vorwärts-Spannungen der drei Farben bei 25 mA LED-Strom in die Eingabefelder in Volt einzugeben. Ferner die drei Widerstände in den Anodentreiberstufen. Die Default-Einstellung entspricht den von mir verwendeten Dioden und der abgebildeten Schaltung.

Für die abgebildete 8x8-Matrix sind die Ströme in den vier Multiplexphasen und als Durchschnitt (Average) angegeben. Duch Ändern der dargestellten Spalte können alle Ströme bei allen Teilbildern angesehen werden.

Der Knopf Calc bewirkt eine Berechnung aller im Spaltenfluss auftretenden Ströme, findet den maximal aufretenden Mittelwert (und die zugehörige Spalte) und mittelt die Ströme. Mit der Formel P = U * I kann daraus die Leistung im Dauerbetrieb berechnet werden.

Uce bei Ice fuer den Transistor BD239 Da die Sättigungsspannung des Kathodentreiber-Transistors BD439 von einigem Einfluss auf den LED-Strom ist, wurde diese Spannung mit der nebenstehenden Funktion angenähert. Wer einen anderen Transistor verwenden will muss diese Funktion im Quellcode ändern.

Noch ein wichtiger Hinweis zum Lazarus-Quellcode, der mich drei Tage lang ziemlich geärgert hat, bis ich es dann doch hingekriegt habe. Damit für die 64 LED-Shapes nur eine einzige Behandlungsroutine zu schreiben war, habe ich anfangs mit dem Mouse-Down-Event versucht herauszufinden, welches der 64 Shapes den Event ausgelöst hat. Bei den ersten beiden Mausklicks auf die Shapes funktioniert das auch, bei allen weiteren Klicks wird aber nicht mehr der Sender angegeben: es bleibt immer der gleiche. Nachdem ich nicht mehr den Mouse-Down-Event sondern den Mouse-Up-Event auswerte, hat sich dieses rätselhafte Verhalten in Luft aufgelöst und es funktioniert korrekt.
Als kleines Gimmick erzeugt das Feld Rainbow: den Farbverlauf eines Regenbogens. Mit der Eingabe eines Addierers kann der belegte Speicher beeinflusst werden. Sie bewirkt, dass die drei Farben in diesen Schritten angenähert wird. Je größer die Zahl desto weniger Spalten sind nötig und je kleiner ist der Speicherbedarf. Addierer größer als 64 setzen den Addierer auf Eins zurück und füllen den Speicher so weit wie möglich. Löschen der Zahl im Eingabefeld oder Setzen auf Eins bewirkt, dass die minimalste Zahl ermittelt und hier eingetragen wird. Addierer unter 3 sind beim ATmega8 nicht möglich, kleinere Zahlen werden auf drei gesetzt.

Die Include-Datei rainbow.inc zeigt, wie die RGB-Farben sich zwischen den Regenbodenfarben stufenweise annähern.

Seitenanfang Eigenschaften Hardware Aufbau Software RGB-Designer


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