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PROducer RGB Audio - Einleitung


8x8 LED-Matrix (RGB) mit VU-Meter

"PROducer RGB Audio" ist eine 8x8 LED-Anzeige mit roten, grünen und blauen Leuchtdioden. Das Einlöten von vielen einzelnen Leuchtdioden wäre zu arbeitsaufwändig, daher gibt es fertige verdrahtete LED-Module zu kaufen. Beim PROducer RGB Audio kommt das Modul 'GTM2088ARGB' von www.seeedstudio.com zum Einsatz. Hinter dem LED-Modul sitzt die Ansteuerelektronik. Die Ansteuerelektronik sorgt dafür, dass auf dem LED-Modul eine individuell programmierte Abfolge an Bildern dargestellt werden kann. Durch unterschiedliche Impulslängen bei der Anzeige von rotem, grünem oder blauem Licht, lassen sich alle Farben des Farbspektrums mischen. Außerdem lassen sich mehrere PROducer RGB Audio Anzeigen (bis zu acht Stück) hintereinander zusammenstecken. Auf diese Weise lässt sich eine Laufbandanzeige realisieren.

Die Elektronik bietet folgende Features:

  • Prozessor ATMEGA8, getaktet mit 16 MHz, über Standard ISP-Steckverbinder programmierbar
  • 64 LEDs als fertiges Modul, rot, grün und blau
  • 128 KB Speicher pro Anzeige, programmierbar über ein FTDI- Kabel und einer Windows Software
  • Kombinierbar zu einer Laufbandanzeige mit bis zu 8 Modulen (64 x 8 LEDs)
  • VU-Meter mit wechselnden Audio-Effekten ab einer bestimmten Lautstärke
  • Shutdown bei permanent ruhiger Umgebung
Hier ein kleines Video als Vorschau, welches die Funktion der Schaltung demonstriert:

Flash Video "PROducer 8X8 RGB LED- Matrix" Vorschau

PROducer RGB Audio - Funktion & Schaltplan


8x8 LED-Modul

Das LED Modul 'GTM2088ARGB' von www.seeedstudio.com ist eine 8x8 LED-Anzeige mit RGB-LEDs. Das heißt, dass jede der 64 LEDs drei Farben darstellen kann, nämlich Rot , Grün und Blau. Diese LEDs sind im Raster angeordnet. Dies bedeutet, dass jeweils nur eine Reihe leuchten kann. Elektrisch sind je Reihe die Anoden der LEDs mit einander verbunden. Die Zeilen lassen sich für jede rote, grüne oder blaue LED einzeln schalten. Dem entsprechend hat das Modul 8 Anschlüsse für die Reihen und 3x8 Anschlüsse für die Zeilen. Insgesamt macht dies 32 Anschlüsse. Ein komplettes Bild, bei dem der Eindruck entsteht, dass alle LEDs leuchten, wird durch sehr schnelles Ansteuern der 8 Reihen erzeugt. Geschieht dies mindestens im 50Hz-Takt oder schneller, entsteht eine flimmerfreie Darstellung aller LEDs. Die Transistoren V100-V107 sorgen für den nötigen Strom, denn je Reihe können 24 LEDs auf einmal leuchten. Bei 20 mA je LED muss der Transistor 24x20 = 480 mA treiben können. Der Transistor BC808 kann laut Datenblatt bis 500 mA schalten.


Ansteuerung des LED-Moduls

LED-Treiber

Um die einzelnen Leuchtdioden zu schalten, kommen LED- Treiber zum Einsatz. Je LED-Treiber (D210, D220, D230) lassen sich 8 Leuchtdioden schalten. Die Daten werden dem LED- Treiber seriell vom Prozessor gesandt und erst nach dem Betätigen des LE nach außen übernommen. Am Widerstand R210, R220, R230 wird der Konstantstrom eingestellt, mit dem die LEDs betrieben werden sollen. Bei 1 KOhm stellt sich ein Konstantstrom von ca. 17 mA ein. Bei den superhellen LEDs des GTM2088ARGB- Moduls reicht der Strom vollkommen aus.


Einer von drei LED-Treibern

I2C EEPROM

Die Schaltung kann bis zu 5041 Bilder darstellen. Zwischen den Bildern können Wartezeiten und Übergänge definiert werden. Dies alles muss irgendwo gespeichert werden. Dazu dienen die beiden I2C EEPROMs 'AT24C512', dessen Speicherkapazität jeweils 64 KB beträgt. Dieses beiden EEPROMs werden seriell über ein I2C-Protokoll beschrieben und ausgelesen. EEPROMs behalten ihre Daten auch nach dem Ausschalten. Jede Schaltung hat diese beiden EEPROMs bestückt, deswegen wird die Speicherkapazität automatisch erweitert so bald mehrere Schaltungen in Reihe gesteckt werden.


2x 64 KB EEPROM

Programmierung

Um eigene Bildsequenzen in das EEPROM zu bekommen muss die Schaltung über eine RS232- Schnittstelle programmiert werden. Der Programmierstecker X101 ist angepasst für das FTDI-Kabel 'TTL-232R-5V'. Dieses Kabel wird zur einen Seite an einen USB-Anschluss gesteckt. Die andere Seite hat einen 6-poligen Steckverbinder, der direkt auf den Stecker der Schaltung passt.


Programmierstecker passend für das FTDI-Kabel 'TTL-232R-5V'

Stromversorgung

Die Schaltung PROducer RGB Audio muss extern mit Strom versorgt werden. Dazu kann mit einem handelsüblichen Steckernetzteil mit einer Spannung von 6 V – 9 V die Schaltung versorgt werden. Der Spannungsregler L4940 5V regelt für jede Schaltung die Spannung auf 5 Volt herab.


DC-Buchse und 5V Spannungsregler

Erweiterbarkeit

Wie bereits erwähnt, kann die PROducer RGB Audio Schaltung mit bis zu 8 Schaltungen in Reihe betrieben werden. Auf diese Weise lässt sich eine Laufbandanzeige realisieren. Zur Synchronisation der Abläufe auf mehreren Anzeigen werden diese über die Verbindungsstecker JP1 und JP2 mit Informationen versorgt. Die äußerste linke Schaltung wird durch den offenen 'MASTER/SLAVE'-Pin automatisch zum Master. Alle anderen Schaltungen gehen in den Slave-Modus und lassen sich vom Master synchronisieren.


Verbindungsstecker zur Erweiterung

Mikrofonverstärker

Der Audio-Schaltungsteil wird bei zusammen gesteckten Anzeigen immer nur einmal benötigt. Der Jumper SJ400 muss nur auf der Master- Platine gebrückt werden. Der Operationsverstärker N400 verstärkt das Mikrofon und gibt das Audiosignal an alle folgenden Module weiter. Auf diese Weise kann bei absoluter Stille eine Abschaltung der Anzeige realisiert werden. Bei gleichbleibenden etwas lauteren Pegel aktiviert die Schaltung automatisch eine VU-Meter Anzeige.


Audio-Schaltungsteil nur auf der Master-Platine nötig

Schaltplan

Download Schaltplan als PDF-Datei.
PROducer_RGB_Sheet.pdf

PROducer RGB Audio - Hardware


Layout

Die Leiterplatte besteht aus einen zweiseitigem Layout. Auf der Vorderseite ist das 8x8 LED-Modul befestigt. Die Elektronik ist beidseitig bestückt. Das Layout wurde mit dem Programm Eagle erstellt. Viele Leiterplattenhersteller unterstützen das Board-Format, welches von der Eagle-Software erzeugt wird. Das Board-File (.brd) kann ohne weitere Anpassungen für eine Leiterplattenfertigung verwendet werden.


PROducer RGB Audio Eagle-Layout

Eagle Board-File

Download Eagle Board-File (.brd) für die Fertigung eines PROducer RGB Audio Moduls.
ACHTUNG: Das Fertigen von Leiterplatten in geringen Stückzahlen kostet entsprechend Geld.
Ich übernehme keine Gewähr für die Richtigkeit und Funktion der angegebenen Fertigungsdaten!
PROducer_RGB.brd

Bestückungspläne

Download der Bestückungspläne als PDF-Datei:
PROducer_RGB_Component_Placement_T.pdf (Vorderseite)
PROducer_RGB_Component_Placement_B.pdf (Rückseite)

Materialliste

Diese Materialliste ist ein Vorschlag. Für einige Bauteile gibt es Alternativen. 1/3, bzw 1/6 bedeutet, dass die Stiftleiste / Federleiste getrennt oder zerteilt werden muss.

Bauteil                           Menge   Bezeichnung                  Distributor   Artikel-Nr.
C101,102                           2x     33pF / 1206                  segor.de      33p-1206-NPO 
C110,112,402                       3x     100nF / 1206                 segor.de      u10-1206-X7R
C111                               1x     22µF                         segor.de      TA22u-16C SMD
C400                               1x     100µF                        segor.de      TA100u-16D SMD
C401                               1x     2µF2                         segor.de      TA2u2-25A SMD
D100                               1x     ATMEGA8                      segor.de      ATmega 8-16AU
D210,220,230                       3x     TLC5916ID                    hbe-shop.de   1755247
D300,301                           2x     24C512                       hbe-shop.de   1908135
J1                                 1x     DC-Buchse MJ-179PH           hbe-shop.de   1737246
JP1                                1/6    Stiftleiste 90G 6-pol        segor.de      SL1x40-90G
JP2                                1/3    Buchsenleiste 90G 6-pol      segor.de      FLLAB 1x21- 90G
M400                               1x     EMY-9765P                    conrad.de     449261-62
MOD                                1x     2088 RGB MATRIX              ebay.de       2088RGB
N400                               1x     LM358                        segor.de      LM 358 D-SMD
Q100                               1x     16MHz Quarz                  segor.de      Q 9,216 MHz-LP	
R100-107,150,210,220,230,300,301   14x    1K / 1206                    segor.de      1k0-1206-1%
R160                               1x     160R / 1206                  segor.de      160R-1206-1%
R400,404                           2x     4K7 / 1206                   segor.de      4k7-1206-1%
R401,402,403                       3x    150K / 1206                   segor.de      150k-1206-1%
R405                               1x    100R / 1206                   segor.de      100R-1206-1%
V100-107                           8x    PNP-Transistor BC808 o. ä.    segor.de      BC 807-40
V110                               1x    5V Spannungsregler L4940V5    segor.de      L4940 V 5
V160                               1x    LED rd SOT23                  segor.de      LED SOT23 rt/15mcd
X100                               1x    ISP- Stecker                  segor.de      SL2x 3-180G
X101                               1x    Stiftleiste für FTDI- Kabel   segor.de      SL1x 7-180G
                                   1x    SIL-Sockelstreifen für MOD    segor.de      SILLAB32
Programmierkabel (optional)              FTDI-Kabel                    segor.de      TTL-232R-5V
		

Fertiger Aufbau

Das Bild zeigt den fertigen Aufbau einer PROducer RGB Audio Schaltung mit zwei Modulen. Ein Steckernetzgerät mit einer Spannung von 6V - 9V ist direkt von hinten angesteckt. Diese Schaltung spielt eine Animation ab und dient als Blickfang für den Wohnzimmerschrank. Ein Aluprofil ist von unten gegen geschraubt, um den Ganzen mechanische Stabilität zu geben.


PROducer RGB Audio mit zwei Modulen und Steckernetzgerät

PROducer RGB Audio - Firmware


Programmiertools

Damit die Elektronik auf dem Modul weiß was sie machen soll, ist es notwendig den Prozessor mit einer Firmware zu programmieren. Zum Programmieren der Firmware wird ein In System AVR-ISP-Programmer benötigt. Ich benutze dazu den mySmartUSB light von myAVR, zu kaufen im MyAVR Shop. Dieser Programmer ist kompatibel mit den verschiedensten Programmen, wie AVRStudio, WinAVR u.v.m. Dieser Programmer wird auf der einen Seite am Arbeitsrechner mit einem USB- Anschluss verbunden. Die andere Seite wird mit einem 6-poligen ISP-Kabel auf die Schaltung gesteckt (siehe Beispielbild). Die passenden Treiber vom Programmer müssen auf dem Arbeitsrechner installiert werden und der Programmer selbst muss konfiguriert werden. Ich habe den mySmartUSB light auf 5V Programmierspannung gestellt. Versorgt wird der Programmer von der Versorgungsspannung der PROducer Schaltung, also extern. Als Protokoll habe ich "STK500v2" gewählt.


AVR Programmieren mittels ISP

Im ATMEGA müssen außerdem die Fuses gesetzt werden. Bei den Fuses handelt es sich um grundsätzliche Einstellungen der CPU. Es wird unter anderen festgelegt, mit welcher Taktfrequenz die CPU arbeiten soll. Werden die Fuses nicht richtig gesetzt, dann arbeitet die CPU nicht in der richtigen Geschwindigkeit. Das Bild zeigt die Einstellungen der Fuses mit der Software AVR Burn-O-Mat. Gegenüber den Grundeinstellungen wird ein externer Quarz mit 16 Mhz und Brown out detection bei 4,0 Volt aktiviert. Nach dem Schreiben der Fuses arbeitet die CPU mit 16 Mhz und löst ein korrektes Reset bei einer Unterspannung aus.


Fuses einstellen im ATMEGA mit der Software AVR Burn-O-Mat

Zum Programmieren des Flashs reicht es aus die main.hex auszuwählen und dann ins Flash zu schreiben. Als 'AVR type' muss 'ATmega8' eingestellt werden. Ein anschließendes Verify kontrolliert, ob die Daten richtig geschrieben wurden. Danach ist die Elektronik bereit zur Benutzung!

Firmware

Download der Firmware inklusive Source- Code. Im Archiv enthalten ist die compilierte Versionen für die Hardware PROducer RGB Audio.
PROducer_RGB_Firmware_V1.32.zip

Windows Software

Für die PROducer RGB Audio Schaltung gibt es eine Windows Software zum editieren der Filmanimationen. Folge den Link zur PROducer Editor Software.