LED-Matrix mit EMR

Schon zu DDR-Zeiten, als PS 1988 den EMR-Lehrgang (siehe Einchipmikrorechner made in GDR - ein Tutorial) besuchen konnte, kam die Idee zu einer LED-Matrix mit EMR-Ansteuerung. Zwar gab es damals nur rote, grüne und gelbe LED's - blaue LED's waren auch im NSW nur als extrem teure Bauelemente mit ungenügender Leuchtkraft verfügbar. Also lag eine RGB-Matrix noch in weiter Ferne, aber auch die Ansteuerung von einfarbigen Matrizen mittels EMR (heute würde man dazu MC = Mikrocontroller sagen) war zur damaligen Zeit schon eine Herausforderung.

Es gab in der DDR auch schon optoelektronische Bauelemente, die einen Matrix-ähnlichen Aufbau hatten:
VQC10, eine 4-stellige Anzeige mit 5x7-LED-Matrizen. Vier Treiber-Schaltkreise für die jeweils 5 Spalten sind in diesem Bauelement bereits integriert.
Dazu gab es dann in der Literatur umfangreiche Applikationsschriften, wobei ebenso schon intelligente Ansteuerungen über Mikrorechner publiziert wurden. [1] [2]

Die kompliziert-umfangreiche Ansteuerelektronik bei der Verwendung von normalen Mikrorechner-Systemen zur Realisierung einfachster Intelligenz legte schon damals den Gedanken nahe, dazu die geballte Integration eines EMR einzusetzen. Jedoch wurde erst Anfang 1988 in [3] erstmals eine Ansteuerung über einen EMR beschrieben.
Da insbesondere der software-technische Aspekt bei allen Veröffentlichungen in der Regel zu kurz gekommen ist und auch die EMR-Programmierung nicht sofort verständlich war, wurde versucht sich Schritt für Schritt in die Problematik einzuarbeiten, um schließlich ein Gesamtkonzept zu erhalten. Dabei spielten schon beim Schaltungs-Entwurf bestimmte Anfangsüberlegungen eine wichtige Rolle (Auszug aus der Dokumentation zur RGB-Matrix):

Aufgabenstellung
Zur universellen Anzeige von alphanumerischen Schriftzeichen, Symbolen und anderen dekorativen Leuchtfeldern eignen sich insbesondere LED-Anordnungen, die in einer Matrix von z.B. 8x8 oder 16x16 zusammengeschaltet sind. Wird auf eine Mehrfarbigkeit Wert gelegt, so hat sich die aus der TV-Technik bekannte RGB-Anordnung bewährt.

Hier sind nun schon die ersten Festlegungen zu treffen, welche insbesondere den mechanischen Aufbau - sprich die Anordnung der RGB-LED's - betreffen. Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:
- Triple-Anordnung, wie in der Delta-Farbfernsehbildröhre,
- InLine-Anordnung, wie es bei den moderneren Farbbildröhren üblich ist.
Da LED's im Gegensatz zu den Pixeln einer Farbbildröhre augenscheinliche Abmaße besitzen (3mm oder 5mm), ist man geneigt der Triple-Anordnung den Vorzug zu geben. Hier ein weiterer Ausschnitt aus der Matrix-Doku:

Mechanischer Aufbau
Zur optimalen Raumausnutzung bei der Anordnung der drei LEDs (Rot, Grün, Blau) werden diese in Triple-Form angeordnet, wobei jeweils eine 180°-Drehung bei jedem 2. Triple eine optimale Raumausnutzung ermöglicht.

Den prinzipiellen Aufbau des Labormusters zeigt: RGB-Matrix - LED-Anordnung. Dieses wurde aber erst im Jahre 2007 realisiert, weil erst dann die blauen LED's preislich und in ihren technischen Daten mit den anderen LED's vergleichbar geworden sind. Leider ergab sich infolge der Verwendung von Uni-Streifenleiterplatinen keine quadratischen Abmaße der Matrix, so dass keine problemlose Anreihbarkeit zu erwarten gewesen ist.

Als nächstes galt es die schaltungstechnische Ausgestaltung der Matrix-Ansteuerung zu entwickeln. Ein bereits aus den 90ern entstandenes Konzept - noch auf Basis des DDR-EMR U882 - erwies sich trotz des hohen peripheren Aufwandes infolge der zu geringen Taktfrequenz als nur bedingt geeignet: RGB-Matrix - Schaltungskonzept.

Erst ab etwa 2005/2006, als PS erste Erfahrungen mit den modernen Mikrocontrollern der Fa. ATMEL machen konnte, wurde dann das Projekt weitergeführt. Es gibt einen Laboraufbau und ein mehr oder weniger fertiges Software-Projekt, welches allerdings noch fehlerbehaftet ist.

Laboraufbau RGB-Matrix

Da die ATMEL-MC's in einfacher Weise und sehr schnell über die so genannte SPI-Schnittstelle miteinander kommunizieren können, war damit auch die Grundlage für eine Aneinanderreihung von LED-Matrizen gegeben. Die mechanische Ausgestaltung der fertigen Leiterplatten sollte dies ermöglichen, so daß (theoretisch) beliebig große RGB-Matrizen konfigurierbar gewesen wären. Jede Matrix verwaltet ihr eigenes Datenmuster zur Darstellung, wobei die Datenmuster von einem übergeordneten PC-System an den Matrix-Verbund gesendet werden. Somit bleibt die Ansteuerung auf die jeweilige 8x8-Matix beschränkt und es werden keine stromintensiven Treiber benötigt.

Da jedoch der fertigungstechnische Aufwand mit bedrahteten LED's sehr hoch ist - auch bei einer richtigen 2-seitigen Leiterplatte - wurden zunächst die weiteren Arbeiten daran eingestellt.

Erst als im vergangenem Jahr preiswerte RGB-LED's in SMD-Ausführung zur Verfügung standen, wurde das alte Projekt nochmals aufgegriffen und eine 16x16-RGB-Matrix in den Abmaßen 80x80mm entworfen. Dazu wurde ein kostenlos verfügbares Programm zum Schaltungs- und Leiterplattenentwurf verwendet - siehe hier. Die Bedienung des Programms ist durch die nur in Englisch vorliegende Version mit einigem Einarbeitungsaufwand verbunden. Dazu wurde das englische Tutorial ins Deutsche übertragen. Leider ist aus urheberrechtlichen Gründen an dieser Stelle eine Veröffentlichung nicht möglich.
Somit konnten dann auch schnell 2 Muster-Leiterplatten über einen professionellen Leiterplatten-Hersteller bereitgestellt werden. Die Bestückung durch einfaches Auflegen der LEDs mit einer Pinzette ist relativ einfach, wenn vorher die 256 x 4 Lötpads mit Lötpaste bestrichen werden. Das geht am besten mittels einer Schablone, die ggf. vom Leiterplattenhersteller mitgeliefert werden kann. Trotzdem darf man nicht pusten oder niesen, damit die "Flöhe" nicht von der Leiterplatte fliegen. Nach ein paar Minuten im Lötofen - und schon ist die bestückte Leiterplatte fertig.

RGB-Matrix 16x16

Derzeit ist die LED-Matrix noch ohne professionelle Ansteuerung. Es wurde momentan lediglich eine Demo-Version erstellt, um die Möglichkeiten dieser LED-Matix anschaulich zu machen. Dazu gibt es eine 38-seitige Entwicklungsbeschreibung: Inhaltsverzeichnis zum Demo-Projekt "RGB-Matrix 16 x 16".
Ein Bild davon ist hier anzuschauen.
Geplant ist jedoch eine Mikrocontroller-Steuerung für jede Matrix, die X-/Y-anreihbar seinerseits von einem übergeordneten Master-Controller angesteuert werden. Dazu soll es ein PC-Programm geben, womit das Entwerfen/Editieren der auf der Matrix-Anordnung darzustellenden Schrift/Grafik erfolgen kann.
Die kommerzielle Verwertung und Weiterführung der Ansteuerungs-Entwicklung wird derzeit bei der Fa. Technikron geprüft. Entsprechende Anfragen sind bitte dorthin zu richten.



Literatur
[1] Dipl.-Ing. Matthias Dobesch: Universelles Siebensegment-Multiplexinterface (für UB88xx), rfe 1989, H11, S735-736
[2] Ing. Willfried Regel: Die alphanumerische Lichtemitteranzeigeeinheit VQC 10 - Funktionsweise und Ansteuertechnik, Applikative Information 1985, H2, S30ff
[3] Prof. Dr. sc. Dr. sc. tech. Jürgen Waldmann, Dipl.-Ing. Thomas Hoffmann, Dipl.-Ing. Eckhard Janke: Alphanumerische Zeichendarstellung mit der LED-Anzeige VQC10, rfe 1988, H2, S87-89



Sollte es aus der interessierten Leserschaft diesbezügliche Hinweise auf notwendige Korrekturen oder Ergänzungen geben, so werden diese sehr gern angenommen und eingearbeitet.





Copyright © 2011 by Peter Salomon. Letzte Änderung am 25.12.2015