Warnung:
	Under Construction: Die Informationen in diesem Artikel sind mit Sicherheit unvollständig und eventuell auch falsch.

Flipdot

Wir haben ein Flip Dot Modul mit 20x16 schwarz/weissen Pixeln aus den Beständen des CCC München.
Die Displays stammen von der Parkplatzanzeige der Allianzarena auf der A9 bei München, in der 198 dieser Module zu einer großen Anzeigefläche verbunden waren. Auf Google Streetview ist die Anzeige noch zu sehen.

• Video: Raspberry Pi, USB-Kamera, Flipdot-Display
• Video von einem Test unseres Displays
• Deutsche Wikipedia zum Thema "Bistabiles Anzeigeelement"
• Englische Wikipedia zum Thema "Flip-Disc Display"
• Flipdots im MUCCC-Wiki

Aufbau

Matrix

Flip Dot Matrix Schaltung

Rückseite mit Doppeldioden

Die Flip Dot Matrix besteht aus jeweils einer Spule pro Pixel, die über einen gemeinsamen Eingang pro Zeile und zwei Eingänge pro Spalte geschaltet werden. Je nach Polung dreht sich das mit einem Dauermagneten versehene Plättchen zur einen oder anderen Seite. Wenn X_n auf High und C_n gleichzeitig auf Low geschaltet werden, gibt es einen Kurzschluss in der Spalte. Das Display nimmt nur zum Umschalten der Pixel Strom auf, nicht aber im Ruhezustand.

N_1,2,3: Verbunden

Die linke obere Ecke eines Moduls ist auf der Rückseite mit "X0 / Y0" markiert.

An unserem Display ist Pixel X₁₅/Y₁₅ defekt. Wir haben den Fehler noch nicht näher analysiert. Eventuell lässt es sich wiederbeleben. An Pixel X₁₉/Y₅ ist ein Teil des Plastiklagers abgebrochen und das Plättchen fehlt.

Treiberplatine

Ansteuerung eines Pixels

Flip Dot Treiberplatine mit identifizierten ICs

Flip Dot Treiberplatine Rückseite

In unserem Display wird die 20x16 Matrix über zwei Schieberegister und eine Reihe von Transistoren auf der Treiberplatine gesteuert.

Das eine Schieberegister (ROW) ist je Modul 16 Bit lang und selektiert die Zeilen, in denen geschaltet werden soll. Das zweite Register (COL) enthält 24 Bit pro Modul und gibt den X-Zustand in den ausgewählten Zeilen vor. Die Strobe-Eingänge beider Register sind verbunden. Die Daten werden in einem zweiten Registersatz gespiegelt und steuern die H-Brücken für die Pixel an.

Bei einem Zusammenschluss mehrerer Module werden die Spaltenregister horizontal hintereinander geschaltet und die Zeilenregister vertikal.

Aufgrund der Zahl von 20 Pixeln pro Modulzeile endet bei einer ungeraden Anzahl an horizontalen Modulen eine Zeile nicht auf vollen Bytes. Das Spaltenregister enthält pro Modul 4 ungenutzte Bits, die beim Durchschieben berücksichtigt werden müssen.

Bauteile auf der Platine u.a:

• L7805CV (5V Spannungsregler) (7.5V - 35V MAX, 1.5A)
  • versorgt die ICs
  • eingangsseitig abgesichert mit 160mA Micro Fuse (sieht ähnlich aus)
• 2x 74HC08D (Quad 2-input AND gate) (= 8x 2-input AND)
  • jeweils AND von Eingangssignal und VCC (Ausnahme: OE0 / OE1)
  • Signalregenerierung zum Ausgleich der 1kΩ Widerstände am Eingang
• 10x 74HC4094 (8-stage shift register) (= 80 Bit)
  • 2x ROW und 3x COL pro Registersatz
  • der zweite Registersatz wird parallel befüllt
  • Daten im 2. COL-Register werden invertiert
  • OE0 und OE1 schalten die Output Enable jeweils eines Registersatzes
  • XOR verhindert Kurzschluss durch gleichzeitiges Einschalten beider OE
• 6x ULN2003A (7x Darlington Array) (= 42x Darlington)
  • zwischen Schieberegistern und P-MOSFETs
• 36x MTP2955E (P-Channel MOSFET)
  • High-Side der H-Brücken
• 36x MTD3055EL (N-Channel MOSFET)
  • Low-Side der H-Brücken
• 74HC02 (Quad 2-input NOR gate) (= 4x 2-input NOR)
• 74HC14 (Hex Schmitt-Trigger Inverter) (= 6x Inverter)
• 74HC74 (Dual D-Type Flip-Flop) (= 2x Flip-Flop)
• 1Ω(?) (zwischen V+ und P-MOSFETs)
• Schmelzsicherung 2.5A

Anschluss

Stromversorgung

Das Display wird mit 24V DC betrieben. Wir haben ein passendes 3A-Netzteil bei Reichelt besorgt. Ans Display angeschlossen wird es über diese praktische Buchse. Parallel dazu wird noch ein 2200µF Elko geklemmt. Getestet mit zwei horizontal geschalteten Modulen.

Für größere Installationen eignet sich vermutlich dieses 10A-Netzteil. Anschluss und sicherer Einbau sind dabei aber etwas komplizierter.

Daten

Achtung: ROW DO führt 5V Level!

N_A: Wird durch Darlington auf Masse gezogen wenn N₁ == H

N_B: Wird durch Darlington auf Masse gezogen wenn N₂ == H

Horizontale Kaskadierung

1. Flachbandstecker des rechten Moduls auf die Buchse des linken Moduls stecken

Vertikale Kaskadierung

1. ROW Data des unteren Moduls mit ROW DO des oberen Moduls verbinden
2. Alle anderen Signale des unteren Moduls mit dem oberen Modul parallel schalten

Ansteuerung

Logisch

Flip Dot Ansteuerung

1. Zeilen im ROW Register auswählen
   • pro vertikalem Modul 16 Daten-Bits schieben
   • es können mehrere Zeilen gleichzeitig mit den gleichen Pixeldaten beschaltet werden. Dabei den Strom durch die Transistoren pro Modul und Stromversorgung beachten!
2. COL Register mit Daten füllen
   • pro horizontalem Modul zuerst 4 Dummy-Bits, dann 20 Daten-Bits schieben
3. STROBE kurz auslösen (>25ns)
4. OEx kurz auslösen (>500µs)
   • OE0 flippt die 0-Bits in COL zur weissen Seite
   • OE1 flippt die 1-Bits zur schwarzen Seite
5. OEx wieder abschalten! Ggf. OE-Puls gegen Abbruch durch SIGTERM/SIGKILL u.ä. sichern

Jedes gleichzeitig geschaltete Pixel erhöht die Stromspitze. Bei geringerer Framerate kann man evtl. Pixel nacheinander ändern.

Software

libFlipdot

Der Hardware-Layer für Raspberry Pi funktioniert:
https://github.com/lampeh/rpi-misc/tree/master/flipdot

• beliebige H * V Modulanordnung
• sollte durch Austauschen der _hw_*() Funktionen auch für andere Hardware mit GPIOs verwendbar sein
• Bitmap: Pixel-Array ohne Gap zwischen horizontalen Modulen
• Frame: Pixel-Array mit Gap
• die bcm2835-Library braucht root für mmap() der GPIO-Register in /dev/mem
• Codequalität verbesserungswürdig: globale #defines, langsame Bit-Copies, ...
• TODO: brauchbare libflipdot.a bauen und installieren. Code muss z.Zt. explizit gegen flipdot.o gelinkt werden
• TODO: Display-Größe besser konfigurierbar machen. Z.Zt hartkodiert in flipdot.h
• TODO: GPIO-Zuordnung besser konfigurierbar machen. Z.Zt hartkodiert in flipdot.h

void flipdot_init(void);

Initialisierung der Hardware und interner Buffer

void flipdot_shutdown(void);

Schaltet die verwendeten GPIOs ab, insbesondere OEx

void flipdot_clear_to_0(void);

Flippt einmal alles auf Weiss

void flipdot_clear_to_1(void);

Flippt einmal alles auf Schwarz

void flipdot_clear(void);

Alias für flipdot_clear_to_0()

void flipdot_bitmap_to_frame(uint8_t *bitmap, uint8_t *frame);

Fügt Gaps im Pixel-Array ein

void flipdot_frame_to_bitmap(uint8_t *frame, uint8_t *bitmap);

Entfernt Gaps

void flipdot_display_row(uint8_t *rows, uint8_t *cols);

Setzt alle Pixel einer Zeile neu

void flipdot_display_row_diff(uint8_t *rows, uint8_t *cols_to_0, uint8_t *cols_to_1);

Setzt nur die Pixel mit 0-Bits in cols_to_0 oder 1-Bits in cols_to_1

void flipdot_display_frame(uint8_t *frame);

Aktualisiert internen Buffer, setzt explizit alle Pixel neu

void flipdot_display_bitmap(uint8_t *bitmap);

Konvertiert Bitmap zu Frame, dann flipdot_display_frame()

void flipdot_update_frame(uint8_t *frame);

Aktualisiert internen Buffer, setzt nur ggü. dem vorherigen Buffer geänderte Pixel

void flipdot_update_bitmap(uint8_t *bitmap);

Konvertiert Bitmap zu Frame, dann flipdot_update_frame()

examples/flip_pipe

while :; do date "+%s" |toilet -f ./3x5.flf -w $DISP_COLS; echo; sleep 1; done |sudo ./examples/flip_pipe

vlc-plugin

Das Video-Output-Plugin für vlc funktioniert:
https://github.com/lampeh/rpi-misc/tree/master/flipdot/vlc

• vlc -V flipdot
• funktioniert auch für Visualizer-Windows u.ä.
  • für FFT ist der Pi leider zu langsam :(
• skaliert automatisch auf die Display-Größe
• schwarz/weiss Schwellwert einstellbar mit "adjust" Modul
  • --video-filter "adjust{brightness=1.3,brightness-threshold}"
• TODO: Hardware-Konfiguration hartkodiert in libFlipdot. siehe dort
  • Plugin-Konfiguration für Displaygröße, Schwellwert-Default
• TODO: "vlc läuft nicht als root" vs "root-Rechte für bcm2835"
  • Mögliche Lösung: bcm2835_init() in vlc-wrapper
  • Workaround für Testzwecke: vlc configure --enable-run-as-root
  • Hackaround für Ganz Eilige: Den String "geteuid" im Binary durch "getppid" ersetzen. ("Solved: VLC running under root without compiling")
• TODO: Funktioniert flipdot output zusammen mit dem HW-Decoder?

Code

• Flipdot-Code für Raspberry Pi
• Flipdot-Code vom MUCCC für AVR
• netfbd - Framebuffer over IP
• git clone http://hannover.ccc.de:3018/wintermute/flipdots.git - Flipdot-Code in avr/

Unklar / TODO

Hardware

• Was ist das unbekannte SOT23-3 Bauteil zwischen Shunt und Flip-Flop? PNP-Transistor würde Sinn machen. Bei Kurzschluss/Überstrom werden durch das Flip-Flop die OE-Signale gesperrt und können erst durch STROBE-Impuls wieder freigegeben werden
• Wie funktioniert die Schaltung mit N_*?
  • mit Pull-Ups an N_1,2 würde es evtl. Sinn machen, um eine gelockerte oder fehlende Matrix im Display zu erkennen
    • QS₁ == L, STROB == L -> N₀ = H -> N₃ wird gegen Masse gezogen und zieht bei richtig angeschlossener Matrix N_1,2 mit
    • Wenn eine Matrix im Feld nicht richtig sitzt, bleibt mindestens ein N_1,2 auf H -> N_A,B werden gegen Masse gezogen
    • Open-collector bus
    • Keine Pull-Ups auf der Platine gefunden
  • Kann man damit die Module zählen?
• Wie hoch ist der Strom beim Umschalten einer Zeile wirklich? Die Analognadel am Labornetzteil ist zu träge
  • DC-Widerstand einer Spule messen
• Rauchmelder installieren ;)
  • Evtl. 1-Wire DS18B20 an jede Treiberplatine kleben, über Pin 1 verbinden und mit dem Raspberry Pi abfragen

Software

• manchmal flippt ein Flipper nicht so, wie er soll. Warum?
  • Plättchen bleibt in der Mitte stehen: Zu schnell, zu kurz geflippt
  • Plättchen bleibt auf einer Seite hängen: Magneto-Fnord, Degaussing durch schnelles Flippen
• Flipdot-Library-Wrapper für Python et. al. bauen. GUI Galore!
• netfbd angucken. Linux-Konsole auf Flipdot!