FlipdotDisplay

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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.


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 Xn auf High und Cn 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.

Pinbelegung Pfostenleiste auf der Rückseite der Flip Dot Matrix
  32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
ST1  N1  N2   ?   ? Y14 Y12 Y10  Y8  Y6  Y4  Y2  Y0 C19 C18 C17 C16 C15 C14 C13 C12 C11 C10  C9  C8  C7  C6  C5  C4  C3  C2  C1  C0
ST2  N3   ?   ?   ? Y15 Y13 Y11  Y9  Y7  Y5  Y3  Y1 X19 X18 X17 X16 X15 X14 X13 X12 X11 X10  X9  X8  X7  X6  X5  X4  X3  X2  X1  X0

N1,2,3: Verbunden

Schaltzustände der Flip Dot Matrix
Xn Cn Yn
Z/L L H Flip
H Z/H L Flop
H L * Kurzschluss

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.

Aus dem Netzteil kann man dann gleich noch einen Raspberry Pi betreiben. Spannungswandler von 24V auf 5V gibts günstig in China. Auf der Ausgangsseite ein halbes USB-Verlängerungskabel (mit A-Buchse) oder gleich einen Micro-USB-Stecker anlöten.


Daten

Pinbelegung am Flachbandstecker
1 Durchgeschleift 11 GND
2 COL Data 12 GND
3 Strobe 13 GND
4 OE0 14 GND
5 OE1 15 GND
6 ROW Clock 16 GND
7 COL Clock 17 GND
8 ROW Data 18 GND
9 ROW DO 19 GND
10 NB 20 NA

Achtung: ROW DO führt 5V Level!

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

NB: 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 - Pixel X9,Y6 wird weiss, X14,Y6 schwarz
IN -> OUT
ROWn COLn OE0 OE1 Pixel
0 * * * Keine Änderung
1 1 1 0 Keine Änderung
1 0 1 0 Flip (weiss)
1 1 0 1 Flop (schwarz)
1 0 0 1 Keine Änderung
Flip Dot Ansteuerung optimiert mit bis zu 8MHz Registertakt
  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 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/libflipdot

Mit der Library lassen sich Bitmaps auf dem Display wiedergeben. Dabei werden nur die wirklich veränderten Pixel angesteuert. Eine Beschreibung der Funktionen findet sich im README.

Mit dem Beispiel "flip_pipe" können auch einfache ASCII-Bitmaps verwendet werden, wie z.B. die Ausgabe von figlet:

while :; do date "+%s" |toilet -f ./3x5.flf -w $DISP_COLS; echo; sleep 1; done |sudo ./examples/flip_pipe
  • 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: Display-Größe besser konfigurierbar machen. Z.Zt hartkodiert in flipdot.h
  • TODO: GPIO-Zuordnung besser konfigurierbar machen. Z.Zt hartkodiert in flipdot.h


Uhr

#!/bin/bash

trap "sudo flipoff" EXIT

{
    export TZ=Europe/Berlin
    new=""
    old=""
    while :; do
            new=`date "+%M"`
            if [ "$new" != "$old" ]; then
                    echo
                    date "+%d.%m.%Y  %H:%M"|toilet -f 3x5 -w 40
                    echo
                    old=$new
                    date >&2
            fi
            sleep 1
    done
} |sudo flip_pipe


vlc-plugin

Das Video-Output-Plugin für vlc funktioniert:
https://github.com/lampeh/libflipdot/tree/master/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?


Flipdot Camera

vlc -V flipdot --no-audio v4l2:///dev/video0:width=40:height=16:chroma=GREY:fps=25 --video-filter "adjust{brightness=1.25,brightness-threshold}"


Lava Lamp

vlc -V flipdot --no-audio --play-and-exit --video-filter "adjust{brightness=1.22,brightness-threshold}" "HD Green_Yellow Lava Lamp - 10 Minutes-nv74T-BybTo.3gp"


FlipArray

Ein Raspberry Pi sollte ein 3x3 Feld noch mit 25fps ansteuern können. Zusammenschalten mehrerer Pis durch --netsync.
Beispiel für 4 Pis mit je 4x4 Modulen:

Ggf. auf schnellerem Gerät skalieren und auf schwarz/weiss transcoden:

rvlc -L $file --sout '#transcode{width=160,height=128,vfilter=adjust{brightness=1.23,brightness-threshold},deinterlace,\
                      fps=25,vcodec=h264,venc=x264{preset=faster,profile=main}}:std{access=udp,dst=239.255.1.2,mux=ts}'

Pi 10.0.0.1 links oben als netsync-master:

rvlc -V flipdot --no-audio --control netsync --netsync-master --video-filter "croppadd{cropbottom=64,cropright=80}" udp://@239.255.1.2:1234

Pi 10.0.0.2 rechts oben:

rvlc -V flipdot --no-audio --control netsync --netsync-master-ip 10.0.0.1 --video-filter "croppadd{cropbottom=64,cropleft=80}" udp://@239.255.1.2:1234

Pi 10.0.0.3 links unten:

rvlc -V flipdot --no-audio --control netsync --netsync-master-ip 10.0.0.1 --video-filter "croppadd{croptop=64,cropright=80}" udp://@239.255.1.2:1234

Pi 10.0.0.4 rechts unten:

rvlc -V flipdot --no-audio --control netsync --netsync-master-ip 10.0.0.1 --video-filter "croppadd{croptop=64,cropleft=80}" udp://@239.255.1.2:1234


Code


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 N1,2 würde es evtl. Sinn machen, um eine gelockerte oder fehlende Matrix im Display zu erkennen
      • QS1 == L, STROBE == L -> N0 = H -> N3 wird gegen Masse gezogen und zieht bei richtig angeschlossener Matrix N1,2 mit
      • Wenn eine Matrix im Feld nicht richtig sitzt, bleibt mindestens ein N1,2 auf H -> NA,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!
Diese Seite wurde zuletzt am 9. Januar 2015 um 08:01 Uhr geändert. Diese Seite wurde bisher 24.324 mal abgerufen.