Динамическая индикация на базе светодиодных матриц в программной среде Proteus

Введение

Светодиодная матрица – это графический индикатор, который можно использовать для вывода простых изображений, букв и цифр, математических и специальных знаков, символов. Матричные светодиодные индикаторы позволяют отображать статический и анимированный текст (все символы латинского и русского алфавитов в достаточно узнаваемом виде) и графику и применяются в устройствах отображения информации различного характера, например в информационных табло в общественных местах (супермаркетах, банковских учреждениях и т.п.).

Для проектирования устройства вывода информации и моделирования его работы удобно использовать программную среду Proteus (в данном случае версии 8.1), библиотека компонентов которой содержит как аналоговые, так и цифровые компоненты, а также светодиодные матрицы и микроконтроллеры с возможностью их программирования.

При проектировании устройства вывода информации, работающего под управлением микроконтроллера AVR, написание программы инициализации и её компиляцию можно выполнить с помощью CodeVisionAVR 3.12 (интегрированной среды разработки программного обеспечения для микроконтроллеров семейства AVR фирмы Atmel, которая имеет в своём составе компилятор языка С для AVR). CodeVisionAVR поддерживает все базовые конструкции языка С, которые используются при написании программ (алфавит, константы, идентификаторы, комментарии) и разрешены архитектурой AVR, с некоторыми добавленными характеристиками, реализующими преимущество специфики архитектуры AVR. Используя специальные директивы, в любом месте программы можно включить ассемблерный код. Программные средства позволяют напрямую обращаться к регистрам микроконтроллера, управлять состоянием линий портов, а следовательно, и состоянием светодиодов (зажжён/отключён) проектируемого на базе светодиодных матриц устройства.

Матричный индикатор представляет собой массив светодиодов, объединённых в один корпус, и позволяет управлять каждым из них. Множество светодиодов сгруппировано в столбцы и строки. Разрешение матричного индикатора – это количество светодиодов по горизонтали и вертикали. Самые распространённые индикаторы имеют разрешение 8×8 точек (светодиодов). Встречаются матрицы разрешением 5×7, 5×8, 16×16. Если требуется светодиодная матрица большого разрешения, то её составляют из нескольких индикаторов.

Для управления светодиодной матрицей применяются два распространённых метода: статический и динамический. Для упрощения схемы управления, а также для сокращения количества выводов индикатора используется динамический способ управления, который подразумевает поочерёдное включение различных групп элементов отображения со скоростью, превышающей время реакции человеческого глаза. Несмотря на то что изображение на индикаторе при таком способе управления в каждый момент времени неполное, глаз человека интегрирует его и видит целостную картинку. Динамическая индикация широко применяется для отображения различной информации, например температуры, напряжения, времени или просто количества срабатываний каких-либо устройств или датчиков.

Для реализации динамического способа управления все светодиоды в столбцах объединяются по анодам, а в рядах (строках) – по катодам (существуют варианты исполнения матричных индикаторов, в которых светодиоды в рядах объединяются по анодам). На аноды последовательно подаются положительные периоды напряжения, на катоды подаётся отрицательный сигнал. Чтобы сформировать полное изображение, необходимо для каждого столбца последовательно установить соответствующий код. Так, в случае индикатора на 5 столбцов по 7 точек в столбце необходимо установить для каждого из столбцов код из 7 бит. При этом чтобы зажечь точки, расположенные в нескольких строках определённого столбца светодиодной матрицы, нужно подать на вывод этого столбца логическую единицу, а на выводы этих строк – логический ноль (если в индикаторе светодиоды в столбцах объединены по анодам). В результате этого зажгутся светодиоды, которые находятся на пересечении столбца и строк.

Принцип работы точечного индикатора разрешением 5×7 демонстрирует рисунок 1, где светодиоды в строках объединены по катодам, а в столбцах по анодам. Чтобы сформировать полное изображение, для каждого столбца последовательно подаётся свой 7-битный код.

Проектирование принципиальной электрической схемы в Proteus

В Proteus светодиодные матрицы собраны в разделе Dot Matrix Displays библиотеки Optoelectronics и представлены точечными индикаторами разрешением 5×7 и 8×8 со светодиодами синего, зелёного, оранжевого и красного цветов. Также в программе есть возможность создания и добавления в библиотеку компонентов пользовательских моделей, например матрицы разрешением 16×16 точек. Управление подсвечиванием точек выполняется путём подачи комбинаций логических нулей и единиц на выводы матрицы. Верхние выводы соответствуют строкам, а нижние – столбцам таблицы светодиодов.

К примеру, если необходимо зажечь два светодиода в 3-й и 4-й строках 2-го столбца (см. рис. 2а) точечного индикатора разрешением 8×8, то нужно на 2-й нижний вывод подать логическую единицу, а на 3-й и 4-й верхние выводы – логический ноль. Для того чтобы зажечь пять последних точек в 7-й и 8-й строках матрицы (см. рис. 2б), нужно подать логическую единицу на 4–8-й нижние выводы и логический ноль на 7–8-й верхние выводы. На свободные верхние выводы подаётся логическая единица, на нижние выводы – логический ноль.

Аналогичным образом управляют светодиодами матрицы разрешением 16×6. Например, чтобы зажечь шесть светодиодов в 6–11-й строках 7–11-го и 15-го столбца, нужно подать логическую единицу на 7–11-й нижние выводы и логический ноль на 6–11-й верхние выводы (см. рис. 2в).

В представленном примере значения логического нуля и единицы подаются на выводы микросхем точечных матриц с помощью инструментов GROUND и POWER панели TERMINALS. Открывают панель нажатием кнопки Terminals Mode на левой панели инструментов редактора ISIS.

Для управления матричным индикатором можно использовать микроконтроллер с достаточным количеством линий ввода/вывода. Каких-либо стандартных правил сопряжения микроконтроллеров с точечными матрицами не существует. На практике для ограничения величины тока, протекающего через светодиоды, между выводами портов микроконтроллера и анодов светодиодов индикатора включают резисторы номиналом 300 Ом.

Создадим в Proteus новый проект и добавим в рабочее поле микросхему светодиодной матрицы зелёного цвета разрешением 8×8, для чего с помощью команды контекстного меню Place  → Component → From Libraries редактора ISIS откроем окно Pick Devices и выберем левой кнопкой мыши из раздела Dot Matrix Displays библиотеки Optoelectronics микросхему MATRIX-8X8-GREEN (см. рис. 3а). Нажмём кнопку ОК (окно Pick Devices будет закрыто) и разместим микросхему в рабочей области проекта.

Для тестирования работы светодиодной матрицы будем использовать микроконтроллер, в качестве которого применим микросхему ATmega16, представленную в разделе AVR Family библиотеки Microprocessor ICs (см. рис. 3б).

Подсоединим верхние выводы микросхемы светодиодной матрицы к линиям PС0–PС7, а нижние к линиям PD0–PD7 микроконтроллера ATmega16, как показано на рисунке 4. В данном примере управление строками светодиодной матрицы осуществляется с помощью выводов порта РС микроконтроллера, управление столбцами – с помощью выводов порта PD. Выбор линий портов микроконтроллера для подключения к выводам светодиодной матрицы производится разработчиком произвольно.

Создание программного кода в CodeVisionAVR

Формирование программного кода в CodeVisionAVR выполняют при помощи автоматического генератора CodeWizardAVR или вручную с нуля, используя синтаксис языка программирования С и функции стандартных библиотек программы. Удобство применения генератора состоит в быстром получении кода выполнения функций инициализации микроконтроллера и его портов ввода/вывода, аналогового компаратора, таймеров/счётчиков, интерфейсов UART и SPI, буквенно-цифровых и графических дисплеев и др. Однако в процессе работы мастера формируется достаточно объёмный код, который впоследствии приходится редактировать.

После создания с помощью команды основного меню File → New → Project нового проекта в CodeVisionAVR открывается окно генератора кода CodeWizardAVR, где задаются параметры микроконтроллера, его внутренних ресурсов и используемых в схеме периферийных устройств. В данном примере это тип и частота работы микроконтроллера (вкладка Chip Settings – см. рис. 5а), опции портов ввода/вывода микроконтроллера (вкладка Ports Settings – см. рис. 5б). 

Важно, чтобы значение тактовой частоты микроконтроллера, указанное в поле Clock вкладки Chip Settings, совпадало со значением в поле CKSEL Fuses его окна свойств в Proteus (в данном примере это 8 МГц). Окно генератора кода в CodeVisionAVR можно также открыть нажатием пиктограммы Run the CodeWizardAVR панели Tools, которую добавляют в проект с помощью команды View → Toolbars → Tools основного меню.

На вкладке Ports Settings для каждого отдельного порта микроконтроллера отведена своя закладка, где в поле Direction щелчком левой кнопки мыши можно выбрать одно из значений битов порта: Out (линия порта работает на вывод данных), In (линия порта работает на приём данных). В данном примере для бит Bit 0 – Bit 7 портов Port D и Port C нужно указать значение Out.

Предварительный просмотр кода программы, который генерируют с помощью команды Program → Generate основного меню, выполняют в поле Program Preview. После настройки параметров и генерации кода с помощью команды Program → Generate, Save and Exit основного меню или пиктограммы Generate program, save and exit верхней панели инструментов окно CodeWizardAVR будет автоматически закрыто. Полученный код отобразится в окне кода CodeVisionAVR, где и будет вестись дальнейшее написание программы. При этом автоматически сгенерированный код можно отредактировать на своё усмотрение.

Записывая в порт PD соответствующие биты, микроконтроллер может переключать столбцы матрицы. Между переключениями столбцов микроконтроллер должен выдержать паузу. Чтобы зажечь нужные светодиоды в столбце, необходимо программным путём записать в порт РС микроконтроллера соответствующий двоичный код. К примеру, чтобы зажечь три первых и один последний светодиоды второго столбца матричного индикатора разрешением 8×8, необходимо в порт РС записать двоичный код 0b01111000, а в порт PD – код 0b00000010. При таком способе подачи управляющих сигналов будут подсвечены сразу все светодиоды столбца, на катоды которых был подан логический ноль. Чтобы получить полную картинку, вывод столбцов символа/рисунка выполняется последовательно в цикле.

Для уменьшения мерцания отображаемых на индикаторе символов подсветку светодиодов в столбце можно выполнять по одному последовательно. Тогда в программе инициализации микроконтроллера вместо одной команды POPTC=0b01111000, с помощью которой подаются управляющие сигналы (логические нули) на катоды матричного индикатора, нужно записать четыре команды POPTC=0b01111111, POPTC=0b11111110, POPTC=0b11111101, POPTC=0b11111011 и, соответственно, четыре раза выдержать паузу длительностью в 1 мс – команда delay_ms (1).

Вывод символов на матричном индикаторе разрешением 8×8

В качестве примера рассмотрим вывод на экран микросхемы точечного индикатора разрешением 8×8 цифры 5. Двоичный код данного символа представлен в таблице 1. Точки, которые нужно зажечь на матричном индикаторе, обозначены в таблице нулями, точки, которые не используются – единицами.

Формирование изображения на индикаторе выполним при помощи программы, написанной на языке С с включением с помощью директив #asm и #endasm ассемблерного кода, что позволит использовать регистры R0–R31 микроконтроллера. При этом к регистру данных порта PD можно обращаться по адресу ввода/вывода 0х12, а к регистру данных порта PС – по адресу 0х15.

Текст программы представлен в листинге 1.

Введём текст программы в окне кода CodeVisionAVR и с помощью команды основного меню Project → Build All запустим компиляцию, по окончании которой выдаётся отчёт о наличии ошибок в коде программы. Если ошибки не обнаружены, на диске компьютера будет создан hex-файл для записи в микроконтроллер.

Теперь перейдём в Proteus и в окне свойств микросхемы ATmega16 (окно открывают двойным щелчком левой кнопки мыши по выбранному на схеме микроконтроллеру) в поле Program File укажем путь к файлу прошивки на диске компьютера (см. рис. 6). 

С помощью команды основного меню Debug → Run Simulation запустим в Proteus моделирование собранной схемы (результат представлен на рисунке 7) и проанализируем её работу.

Программным путём были даны указания микроконтроллеру через порт PD отправить на нижние выводы микросхемы точечного индикатора двоичный код 0b00000010, который активизирует второй столбец матрицы. При этом через порт РС на верхние выводы микросхемы точечного индикатора подаётся двоичный код 0b10110000, который включает 5 светодиодов второго столбца матрицы (см. рис. 8а). После паузы длительностью 20 мс в порт PD программным путём подаётся двоичный код 0b00000100, который активизирует третий столбец матрицы. В порт РС подаётся двоичный код 0b00110000, который включает 6 светодиодов в этом столбце (см. рис. 8б). После паузы длительностью 20 мс в порт PD подаётся двоичный код 0b00011000, который активизирует два столбца матрицы (4-й и 5-й). Как в 4-м, так и в 5-м столбцах точечной матрицы нужно включить светодиоды, расположенные в 1-й, 3-й и 8-й строках (см. рис. 8в), поэтому в данном случае удобно активизировать сразу два столбца и подать через порт РС микроконтроллера на верхние выводы индикатора двоичный код 0b01111010, значения 1-го, 3-го и 8-го бита которого равны нулю. После паузы длительностью 20 мс в порт PD подаётся двоичный код 0b00100000, активизирующий 6-й столбец матрицы, в котором в результате записи кода 0b00000010 в порт РС будут подсвечены 1-й и с 3-го по 8-й светодиоды (см. рис. 8г). Далее после паузы программа инициализации микроконтроллера выводит в порт PD двоичный код 0b01000000, который активизирует 7-й столбец матрицы. При этом через порт РС на верхние выводы микросхемы точечного индикатора подаётся двоичный код 0b10000111, который включает четыре светодиода (см. рис. 8д).

Когда на дисплее отрисовано всё изображение, последовательность действий повторяется сначала. В результате на дисплее точечного индикатора будет отображён символ (цифра 5). Статическое изображение получено вследствие непрерывного выполнения в цикле последовательной активизации заданных столбцов точечной матрицы и подсветки в них указанных светодиодов.

Для формирования изображения на индикаторе можно применить и код, написанный на языке С (см. листинг 2), однако в результате применения подпрограммы, написанной на ассемблере, на дисплее точечной матрицы была получена более чёткая и стабильная картинка.

Рассмотрим формирование изображения с эффектом бегущей строки. Для этого внесём изменения в программу вывода символа (цифры 5), написанную на языке С (см. листинг 3).

Запустим в CodeVisionAVR компиляцию кода программы. По её окончании на диске компьютера будет создан hex-файл, путь к которому укажем в окне свойств микросхемы ATmega16 в Proteus. В поле CKSEL Fuses этого окна установим значение тактовой частоты микроконтроллера 1MHz.

Запустим в Proteus моделирование собранной схемы (см. рис. 9) и проанализируем её работу. Программным путём были даны указания микроконтроллеру через порт PD отправить поочерёдно на нижние выводы микросхемы точечного индикатора двоичный код, который активизирует 2–7-й столбцы матрицы. При этом через порт РС на верхние выводы микросхемы точечного индикатора подаётся двоичный код, который включает нужные светодиоды активного столбца матрицы. Подача значений выполняется в цикле for, в первом проходе которого картинка выводится на дисплей матрицы начиная со второго столбца. Далее при помощи операции <<1 производится сдвиг столбцов на одну позицию вправо. При этом значения строк остаются неизменными. Таким образом, во втором проходе картинка будет выводиться начиная с третьего столбца. Аналогичным образом выполняются следующие шесть проходов, после чего повторяется цикл while(1). В 7-м проходе будут подсвечены 5 светодиодов в 8-м столбце. В результате на дисплее точечной матрицы будет непрерывно отображаться картинка, последовательно сдвигающаяся вправо.

Часовые диаграммы работы схемы управления cветодиодной матрицей, полученные с помощью логического анализатора, представлены на рисунке 10. Сигналы с выводов РС0–РС7 микроконтроллера отображены на графическом экране анализатора зелёным цветом, сигналы, полученные с выводов PD0–PD7 – синим цветом. Подключение логического анализатора к схеме управления светодиодной матрицей показано на рисунке 9.

Последовательный вывод символов на матричном индикаторе разрешением 16×16

Соберём в рабочей области проекта схему с использованием микроконтроллера ATmega16 и матричного индикатора зелёного цвета разрешением 16×16. Подсоединим верхние выводы микросхемы светодиодной матрицы к линиям PА0–PА6, а нижние к линиям PВ0–PВ4 микроконтроллера ATmega16, как показано на рисунке 11. 

В данном примере управление строками светодиодной матрицы осуществляется с помощью выводов порта РA микроконтроллера, управление столбцами – с помощью выводов порта PB.

Примечание: № н.в. – номер нижнего вывода матрицы светодиодов; № в.в. – номер верхнего вывода матрицы светодиодов.

В качестве примера рассмотрим последовательный вывод символов «a», «b», «c» на дисплей микросхемы точечного индикатора разрешением 16×16. Двоичный код символов представлен в таблице 2. Точки, которые нужно зажечь на матричном индикаторе, обозначены в таблице нулями, точки, которые не используются – единицами.

Формирование изображения на индикаторе (см. рис. 12) выполним при помощи программы микроконтроллера, написанной на языке программирования С (см. листинг 4).

Запустим в CodeVisionAVR компиляцию кода программы. Затем перейдём в Proteus и укажем в окне свойств микросхемы ATmega16 путь к hex-файлу на диске компьютера. В поле CKSEL Fuses окна свойств установим значение тактовой частоты микроконтроллера 8MHz. При создании проекта в CodeVisionAVR в окне генератора кода на вкладке Ports Settings в поле Direction для бит Bit 0 – Bit 7 портов Port А и Port В укажем значение Out (порты работают на вывод данных).

Двоичный код символов, который записывается в порт РА микроконтроллера, представлен в программе инициализации в виде трёх массивов данных a[35], b[35], c[35] размерностью 5×7. Каждой точке символа соответствует отдельный элемент массива, определяющий состояние светодиода матричного индикатора (0 – светодиод включён, 1 – светодиод выключен). Двоичный код, который включает нужные светодиоды активного столбца матрицы, подаётся через порт РА на верхние выводы микросхемы точечного индикатора. Подача значений выполняется программным путём с помощью двух циклов for следующим образом. В первом цикле выбирается активный столбец матрицы, после чего во втором цикле выполняются 7 проходов. В каждом проходе в порт РА записывается двоичный код, определяющий состояние одной из 7 точек активного столбца, двоичный код которого записан в порт РВ. По окончании 7-го прохода производится выход из второго цикла for. Переключение столбцов выполняется при помощи операции <<1. Далее 7 проходов второго цикла повторяются для следующего столбца.

Первым в программе определён вывод символа «a». Рисунок отображается на дисплее матрицы начиная с её 7-го столбца. Для получения чёткого изображения на дисплее индикатора повторим вывод символа несколько раз в цикле for (repeat=0; repeat<25; repeat++), где repeat – это переменная, которая определяет число повторений. По окончании вывода символа «a» на дисплей матричного индикатора аналогичным образом выполняется вывод символов «b» и «c», после чего все действия повторяются в цикле do { } while (1);. В результате на дисплей светодиодной матрицы непрерывно последовательно выводятся символы «a», «b», «c».

В данном примере двоичный код символов подаётся на верхние выводы матрицы побитно, что подразумевает более чёткое изображение по сравнению с побайтным выводом кода. Для вывода изображения шириной 5 точек и высотой 7 точек задействованы 12 контактов точечной матрицы и два порта микроконтроллера. Вывод символов с применением большего числа светодиодов можно организовать, используя большее количество контактов микроконтроллера и матрицы.

Литература

1. ISIS Help, Labcenter Electronics, 2014.

© СТА-ПРЕСС