PROducer Duo - Einleitung

8x8 LED-Matrix Modul (rot/grün)

"PROducer Duo" ist eine 8x8 LED-Anzeige mit rot-grünen Leuchtdioden. Das Einlöten von vielen einzelnen Leuchtdioden wäre zu arbeitsaufwändig, daher gibt es fertige verdrahtete LED-Module zu kaufen. Beim PROducer Duo kommt das Modul 'TBC23-12EGWA' von Kingbright 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 oder grünem Licht, lassen sich weitere Farben wie Orange, Gelb und Olivgrün mischen. Außerdem lassen sich mehrere PROducer Duo Anzeigen (bis zu acht Stück) hintereinander zusammenstecken. Auf diese Weise lässt sich eine Laufbandanzeige realisieren.

PROducer Duo Elektronik / Modul 'TBC23-12EGWA' von Kingbright

Die Elektronik bietet folgende Features:

• ATMEGA32 CPU, getaktet mit 16 MHz, über Standard ISP-Steckverbinder programmierbar
• 64 LEDs als fertiges Modul, rot und grün.
• 64 KB Speicher pro Anzeige, programmierbar über ein FTDI-Kabel und einer Windows Software
• Kombinierbar zu einer Laufbandanzeige mit bis zu 8 Modulen

Video "PROducer 8X8 Duo LED-Matrix"

PROducer Duo - Funktion & Schaltplan

8x8 LED-Modul

Das LED-Modul 'TBC23-12EGWA' von Kingbright ist eine 8x8 LED-Anzeige mit Duo-LEDs. Das heißt, dass jede der 64 LEDs zwei Farben darstellen kann, nämlich Rot und Grün. 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 oder grüne LED einzeln schalten. Dem entsprechend hat das Modul 8 Anschlüsse für die Reihen und 2x8 Anschlüsse für die Zeilen. Insgesamt macht dies 24 Anschlüsse. Ein komplettes Bild, wo der Eindruck entsteht das 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 Q1-Q8 sorgen für den nötigen Strom, denn je Reihe können 16 LEDs auf einmal leuchten. Bei 25 mA je LED muss der Transistor 16x25 = 400 mA liefern können. Der Transistor BC808 kann laut Datenblatt bis 500 mA treiben.

8x8 LED-Modul mit Transistoren

Demultiplexer

Um den binären Wert vom Mikrocontroller auf die entsprechende Reihe zu wandeln, kommt ein Demultiplexer zum Einsatz. Dieser wandelt die dreistellige Binärzahl (0-7) an den Eingängen A, B und C vom D200 in eine Selektion von 1 aus 8 an den Ausgängen Y0-Y7. Das Signal zum Auswählen der Reihe ist invertiert (Low-Aktiv). Die Widerstände R200-R207 dienen als Basis-Vorwiderstände für die PNP-Transistoren Q1-Q8. Schaltet ein Ausgang auf Low, fließt ein Strom von VCC (5 Volt) über die Emiter-Basisstrecke in das IC D200 hinein. Der Transistor steuert auf und schaltet somit die Reihe ein.

Demultiplexer

I2C EEPROM

Die Schaltung kann bis zu 2600 Bilder in 8 Farben darstellen. Zwischen den Bildern können Wartezeiten und Übergänge definiert werden. Dies alles muss irgendwo gespeichert werden. Dazu dient das I2C EEPROM 'AT24C512', dessen Speicherkapazität 64 KB beträgt. Dieses EEPROM wird seriell über ein I2C- Protokoll beschrieben und ausgelesen. EEPROMs behalten ihre Daten auch nach dem Ausschalten. Jede Schaltung hat solch ein EEPROM bestückt, deswegen wird die Speicherkapazität automatisch erweitert so bald mehrere Schaltungen in Reihe gesteckt werden.

I2C EEPROM

Programmierung über RS232

Um eigene Bildsequenzen in das EEPROM zu bekommen muss die Schaltung über eine RS232-Schnittstelle programmiert werden. Der Programmierstecker 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. Über den Jumper JP101 kann eine einzelne PROducer Duo Schaltung direkt über die USB-Schnittstelle mit Strom versorgt werden. Dazu muss der Jumper gesteckt sein.

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

Stromversorgung

Werden mehrere PROducer Duo Schaltungen kombiniert, reicht der Strom über USB nicht aus. Eine Kette ab 2 PROducer Duo Schaltungen muss immer extern mit Strom versorgt werden. Dazu kann mit einem handelsüblichen Steckernetzteil mit einer Spannung von 7,5V – 9V die Schaltung versorgt werden. Der Spannungsregler 7805 regelt für jede Schaltung die Spannung auf 5 Volt herab.

Spannungsregler für externe Stromversorgung

Erweiterbarkeit

Wie bereits erwähnt, kann die PROducer Duo 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 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.

Steckverbinder zum Erweitern des Moduls

Schaltplan

Download Schaltplan als PDF-Datei.
PROducer_Duo_Sheet.pdf

PROducer Duo - Hardware

Layout

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

PROducer Duo Eagle-Layout

Eagle Board-File

Download Eagle Board-File (.brd) für die Fertigung eines PROducer Duo 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_Duo.brd

Bestückungspläne

Download der Bestückungspläne als PDF- Datei.
PROducer_Duo_Component_Placement_T.pdf (Vorderseite)
PROducer_Duo_Component_Placement_B.pdf (Rückseite)

Materialliste

Diese Materialliste ist ein Vorschlag. Für einige Bauteile gibt es Alternativen. 'Ein Teil von' bedeutet, dass die Stiftleiste / Federleiste getrennt oder zerteilt werden muss.

Bauteil                  Menge   Bezeichnun                              Distributor   Artikel-Nr.
C1,C2                     2x     33pF X7R 10% 63V SMD 1206               segor.de      33p-1206-NPO
C100,C110,C200            3x     100nF X7R 10% 50V 1206                  segor.de      u10-1206-X7R
C111                      1x     10uF-10V Tantal SMD A3216               segor.de      TA10u-10A SMD
D100                      1x     ISP-MC 16MHz TQFP44                     segor.de      ATmega 32A-AU
D200                      1x     3 to 8 Decoder Demux SO16               segor.de      74HC 138-SMD
D300                      1x     64Kx8 I^2C EEPROM SO8.15                segor.de      24C512-SMD
J100                      1x     Ein Teil von Stiftleiste 1x40 90°       segor.de      SL1x40-90G
J101                      1x     Ein Teil von Federleiste 21pol 90°      segor.de      FLLAB 1x21- 90G
JP101,X101                1x     Ein Teil von Stiftleiste 1x40pol 180°   segor.de      SL1x40-180G
MOD1                      1x     58mm Punktmatrix 8x8 rt/gn              segor.de      TBC 23-12 EGWA
Q1-8                      8x     Transistor PNP 50V 0,5A SOT23           segor.de      BC 807-40
Q100                      1x     Quarz SMD 50ppm Cl=32pF                 segor.de      Q 16,0 MHz-SMD/SM49
R9-24                     16x    100 Ohm 1% SMD 1206 TK100               segor.de      100R-1206-1%
R200-207,R100,R300,R301   11x    1,5kOhm 1% SMD 1206 TK100               segor.de      1k5-1206-1%
V100                      1x     Schottky 30V 0,15A SOD80                segor.de      LL 103 B
V110                      1x     Spannungsregler +5V 1A TO220            segor.de      7805
X100                      1x     Ein Teil von Stiftleiste 2x40pol 180°   segor.de      SL2x40-180G
Programmierkabel (optional)      FTDI-Kabel, Umsetzer von USB zu RS232   segor.de      TTL-232R-5V

Fertiger Aufbau

Das Bild zeigt den fertigen Aufbau einer PROducer Duo Schaltung mit zwei Modulen. Ein Steckernetzgerät mit einer Spannung von 7,5V - 9V ist direkt von hinten angelötet. 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 Duo mit zwei Modulen und Steckernetzgerät

PROducer Duo - 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 Bild). 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

Am 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

Zum Programmieren des Flashs reicht es aus die main.hex auszuwählen und dann ins Flash zu schreiben. 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 Duo.
PROducer_Duo_Firmware_V0.9.zip

Windows Software

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

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