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LED Spielereien mit Charlieplexing

Beim programmieren des Akkuwächters probierte ich das erste mal Charlieplexing. Es war für mich klar, dass ich hier noch etwas weiterforschen muss. Ziel war es, mit wenig Hardware, möglichst viele LEDs anzusteuern. Reine Spielerei also . Da im Web ja schon zig LED Lauflichtschaltungen zu bewundern sind, wollte ich mich hier nicht anschließen und habe meine 20 LEDs, die wieder ein ATtiny13 steuert nach Vorbild einer 4x5 Matrix angeordnet. Auf dieser kleinen Anzeige lassen sich Leuchteffekte anzeigen die man zuvor mit einen Mal- oder Zeichenprogramm komfortabel erstellen kann. Sogar kleine Laufschriften sind möglich.

Videoclip

Es ist schon erstaunlich, was in die 1 KB Flashspeicher des Tiny13 passt. Der Clip unten zeigt nur einen kleinen Teil der Animation.

Sicher, man muss sich schon etwas anstrengen um die Laufschrift auf dem Minimaldisplay von 4 x 5 Punkten  zu entziffern. Für alle die es nur schwer lesen können. Bei der Laufschrift handelt es sich um den altbekannten Satz "THE QUICK BROWN FOX JUMPS OVER THE LAZY DOG" der alle Buchstaben des Alphabets enthält (Pangramm).

Die Schaltung

Eagle Schaltplan

Wie man sieht, werden alle 5 verfügbaren Portleitungen des ATtiny13, an die 20 LEDs angeschlossen. Charlieplexing PlatineUm besser Layouten zu können, habe ich ein paar Leitungen in der Reihenfolge verändert.
Jede Leitung erhält einen Vorwiderstand von 56 Ohm. Beim Einschalten einer LED werden also immer 2 Widerstände aktiv und addieren sich somit zu 112 Ohm für eine leuchtende LED. Werden die LEDs (im Multiplexverfahren 1:20) alle gleichzeitig eingeschaltet, ergibt sich (theoretisch) einen Strom von knapp 27 mA. In der Praxis fällt aber noch etwas Spannung an den Portleitungen ab und es stellt sich ein Strom von ca. 20 mA ein, die sich die 20 LEDs zu jeweils 1mA teilen. Ich war sehr erstaunt wie hell die Low Current LEDs bei schon ab einem mA leuchten. Da man eh nur in den seltensten Fällen alle LEDs einschalten muss, habe ich im Programm eine Variable Multiplexrate vorgesehen, mit der z.B. 10 (aus 20) LEDs mit den optimalen 2 mA betrieben werden und dennoch alle LEDs gleichhell leuchten. Doch dazu mehr weiter unten.

Das Layout..

Eagle Layout Charlieplexing...verteilt sich auf 2 einseitige Platinen die im Sandwich- verfahren übereinander gesteckt werden. Die Tiny13 Platine, wird auf der Lötseite in SMD-Technik bestückt. Alle passiven Bauteile haben die 0805 Bauform. Um auch die breitere SMD-Bauform des ATtiny13 verwenden zu können, habe ich die beiden Unterschiedlichen Tinys im Layout übereinander gelegt. Da die Pinbelegung gleich ist, spielt es somit keine Rolle welchen Chip man verwendet. Die ISP-Pinleiste ist um 90° abgewinkelt und etwas knifflig zu löten. Hierzu bedarf es auf jeden Fall einer dünnen Lötspitze.
Auf der LED-Platine, werden von den bedrahteten LEDs die rot markierten Drähte etwas länger gelassen. Diese passen dann in die  Vias der Tiny13 Platine, welche man mit einzelnen Pins von einreihigen IC-Fassungen bestücken kann. Wie auch schon beim Akkuwächter, mach der Dragon Probleme beim flashen per ISP, wenn die LED-Platine aufgesteckt ist, wogegen der AVRISP mk2 auch bei aufgesteckter LED-Platine Problemlos flasht.

Die Software


Charlieplexing LEDsist in AVR-Assembler geschrieben und kann mit dem AVR-Studio 4.19 in eine brennbare .hex Datei assembliert werden. Um eigene Leuchtmuster oder Laufschriften zu erzeugen sind keine, (oder wenig) Kenntnissen Assembler notwendig. Ein paar grundlegende Dinge im Umgang mit dem AVR Studio 4.19, habe ich schon hier erläutert.

Die Firmware

Das Programm selbst steht am Anfang des Flashspeichers und hat eine Größe von etwa 250 Byte. Somit sind über 750 Bytes für Animationen frei die hinter dem Programm angehängt und mit assembliert werden.

Eine abzuspielende Sequenz sieht wie fogt aus.

quick:
.db scroll,168,12,20
.db 0x1D, 0x5C, 0x25, 0x4D, 0x46, 0x62, 0x45, 0x23, 0x92, 0x8E, \
    0xA8, 0xB1, 0x84, 0x8B, 0xB0, 0xEA, 0xE2, 0x13, 0xD4, 0x62, \
    0x30, 0x09, 0x50, 0x55, 0x51, 0x45, 0x55, 0x45, 0xA2, 0x2A, \
    0x82, 0xAD, 0xAA, 0x0A, 0x8A, 0x28, 0x4A, 0x82, 0x28, 0x54, \
    0x55, 0x40, 0x09, 0xD8, 0x55, 0x51, 0x86, 0x65, 0x55, 0x63, \
    0x29, 0x02, 0xAA, 0xB1, 0x0A, 0x8B, 0x30, 0x4E, 0xC2, 0x28, \
    0x94, 0x55, 0x40, 0x09, 0x50, 0x55, 0x51, 0x45, 0x55, 0x55, \
    0x22, 0x2A, 0x8A, 0xA8, 0xA0, 0x8A, 0x52, 0x28, 0x4A, 0x82, \
    0x39, 0x08, 0x55, 0x50, 0x09, 0x5C, 0x32, 0x4D, 0x46, 0x52, \
    0x29, 0x22, 0x12, 0x84, 0x48, 0xA3, 0x04, 0x23, 0xA8, 0x4A, \
    0xE3, 0xAB, 0xC8, 0x62, 0x30, /*padding*/ 0

Jede abzuspielende Sequenz bekommt einen Label (oben quick), dann folgt der Header, der 4 Steuerbytes enthält. Der Rest des Datenblocks besteht aus der Bitmap.
Die  4 Steuerbytes beschreiben dem Player die Art der Animation, die breite der Bitmap, die Multiplexrate und die Geschwindigkeit.

Die Sequenz wird im Hauptprogramm mit dem Makro play wie folgt aufgerufen.

        ;**************************************************************************
        ;Main
        ;**************************************************************************
main:   play    quick
        rjmp    main
        ;**************************************************************************
        ;Main Ende
        ;**************************************************************************

Nach dem assemblieren (Build) des Beispiels von oben, erhält man vom Studio folgende Meldung.

ATtiny13 memory use summary [bytes]:
Segment   Begin    End      Code   Data   Used    Size   Use%
---------------------------------------------------------------
[.cseg] 0x000000 0x00017e    228    150    378    1024  36.9%
[.dseg] 0x000060 0x000088      0     40     40      64  62.5%
[.eseg] 0x000000 0x000000      0      0      0      64   0.0%

Assembly complete, 0 errors. 0 warnings

Wichtig ist hier die Zeile [.cseg], die uns sagt, dass wir erst 378 von 1024 möglichen Bytes im Flash des Tiny13 und somit 36,9% belegt haben. Es ist also noch jede Menge Platz für weitere Sequenzen. Diese werden alle der Reihe nach zwischen  main: und rjmp main aufgerufen. Die Daten der Bitmap, kommen ans Ende des Quellcodes. Natürlich kann man jede Sequenz auch als eigene Datei abspeichern und im Quellcode an passender Stelle includen.

Sequenz erstellen

Dazu benötigt man ein Grafikprogramm in welchem man beliebige Größen von Bitmaps erstellen, bearbeiten und als .bmp speichern kann. Ich benutze in meinem Beispiel das (open Source)  Gimp in der Version 2.8.

Gimp

Zeichnen

Zuerst unter [Datei -> Neu] wählen und als Bildgrösse 256 Breite und 5 Höhe eintragen, OK klicken. Damit man in der Bitmap vernünftig zeichnen kann, den Zoom auf etwa 3000% stellen. Soll eine Laufschrift erstellt werden, das Raster unter [Bild -> Raster konfigurieren] auf Breite 1 und Höhe 1 einstellen. Bei einer Daumenkino Sequenz, den Raster auf  Breite 4 und Höhe 5 einstellen. Das Kettensymbol zuvor, durch anklicken trennen. Das Raster unter [Ansicht -> Raster Anzeigen] einschalten.
Zum Zeichnen den Stift wählen und als Pinsel das Pixel. Unter dem Pinsel bei  Größe, eine 1 eintragen. Nun kann man in der Bitmap Zeichnen. Jedes schwarze Pixel schaltet später die entsprechende LED in der Matrix. Zum löschen von Pixeln, einfach Vorder und Hintergrundfarbe Tauschen. 

Zuschneiden

Vor dem Speichern wird die Bitmap auf eine passende Größe zugeschnitten. Dazu das Rechteck (oben Links im Werkzeugkasten) wählen und den gewünschten Ausschnitt eingrenzen. Während des ziehen des Rechtecks, die sich ändernde Breite in der Statusleiste beobachten und eine Breite wählen, die durch 8 teilbar ist. Nun unter [Bild -> Auf Auswahl zuschneiden] die nicht gewünschten Bereiche abtrennen. Es sollten am Anfang und am Ende der Laufschrift mindestens 3 Pixelin der Breite frei bleiben, damit eine kurze Pause zwischen dieser, und der nächsten Sequenz entsteht.

Exportieren

Unter (Datei -> Exportieren] einen Pfad wählen und nach einem Dateinamen mit Endung .bmp, .gif  oder .png, die Datei Speichern.

Konvertieren

Um die Bitmap für den AVR-Assembler lesbar zu machen, lädt man die Bitmap in Läubis GrafikConverter 1.4

Hauptfenster

Nach dem öffnen der Bitmap erhalten wir in etwa folgendes Bild.

Grafik konverter

Man sollte nach dem Laden der Bitmap, die Auflösung (hier 168*5) und die Anzahl der Farben prüfen. Die X - Auflösung sollte wie oben schon erwähnt, durch 8 teilbar sein. Ist soweit alles klar kann man die Datei Speichern.

Speichern

Konvertieren


Im Speichern Dialog, wählt man zunächst Sourcecode -File aus. Die Box darunter, stellt man auf AVR Studio ASM ein. Bei Bytes pro Zeile, eine gerade Anzahl eintragen. Die Datei kann  dann als .txt oder .asm File abgespeichert werden.Die gespeicherte Datei kann nun mit einem Texteditor oder direkt im AVR-Studio geöffnet werden und ans Ende des Quellcode kopiert werden. Natürlich kann man die Datei auch separat lassen und an passender Stelle im Quelltext includen. Der Label (Sprungmarke) der erzeugten Datei, sollte noch umbenannt werden, da dieser Satzzeichen enthält bei denen der Assembler meckert.

Download

Hier könnt ihr euch die Eagle Dateien und den Quellcode downloaden.

Viel Spaß beim Basteln,
Jürgen