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介绍

       在之前的教程中，我提到了一个名为Character LED Display 的东西，我说这是另一个故事。这是另一个故事。

该项目涉及控制LED矩阵显示器。这是关于使用微控制器进行艰苦的工作，以便最大限度地减少在Raspberry Pi上完成的工作。

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下图表示系统体系结构。左侧的Raspberry Pi通过SPI接口将文本或图像数据发送到显示器。

中间的LED控制器转换显示数据并产生控制LED矩阵显示板所需的控制信号。然后，控制器通过HUB08或HUB75接口将数据和控制信号发送到右侧的显示器。这个项目是关于制作控制器，位于中间。

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LED显示控制器框图

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       该项目的目标是为支持HUB08和HUB75接口的LED矩阵显示器制作Pi HAT，并以字符或图形模式驱动显示器。这些模式对显示进行分类。字符模式是最简单的。在这种模式下，Raspberry Pi调用带有文本字符串的printf样式函数来写入显示。在图形模式下，Raspberry Pi提供了一组RGB数据。图形模式允许您在显示屏上创建静态或动态图像。

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背影故事

       我一直在项目中使用字符LCD显示器很长一段时间。它们易于使用，易于查找，非常适合简单的小UI。当你需要大而明亮的东西时，字符液晶显示器不是一个好选择。对于具有真实影响的显示器，大LED矩阵显示器是更好的选择。

LED矩阵显示器很难控制。关于如何驱动它们的文档并不多。它们需要不断刷新，这需要很多处理能力，你可能需要其他东西，如ping服务器和检索一些数据来显示。

       我想要的是一个显示控制器，我可以设置和忘记或绘制'图像'，而不必担心实时信号生成或时钟或闪光灯或地址或PWM或BCM或任何其他需要处理的事情控制其中一个显示器。

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我知道有LED矩阵显示控制器这样的东西。显示器的制造商通常建议或提供一个控制器。控制器的文档很难找到显示器的文档。这引入了一个我无法接受的风险：在向客户发送巨额订单之前的那个晚上，我发现控制器没有按照我的意愿行事，而且我无法解决它。

这就是我所说的我决定制作自己的LED矩阵控制器的原因。在真正的故事是，我不知道这些LED矩阵显示器是如何工作的，我想弄明白。我从未做过Pi帽子，我想知道如何做。我设计一个硬件已经有几年了，我想学习如何使用KiCAD。我之前没有使用STM32，我想学习如何使用它们。

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有一大堆新东西需要学习，有什么好的学习方法，而不是直接跳出数字。当我需要在愤怒中使用某些东西时，我学得最好，即，我必须产生一些实际结果，而不仅仅是闪烁的LED或Hello World！

这个概念

       这个概念是制作一个用于控制LED矩阵显示器的Pi Hat，它可以完成所有繁重的操作.Pi上运行的软件应尽可能简单，例如printf或通过SPI发送位图。

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这些是我对该项目的高级目标：

做一个Pi帽子。在可行的情况下，请遵循Pi基金会，因此我可以选择将其证明为“Pi Hat”

它必须以'字符模式'驱动显示（第一次迭代）

它应该以'图形模式'驱动显示器（第二次迭代）

它必须支持HUB08和HUB75接口

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原型

       我开始使用STM32 Blue Pill，一种简单，便宜的微控制器板。

这是概念证明的图表。显示屏由右侧的16针标题表示。这种显示器是单色HUB08型。

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原型接线，3.3V运行显示IO

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这个概念证明会将显示引脚驱动到3.3V，我认为这可能会起作用，尽管5V可能更好。这是它的样子。

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原型显示'它可行'

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这个实验的结果与概念证明是一个工作LED矩阵显示。我为公共汽车站标志项目开发了它。这就是它的样子。

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运营巴士站牌

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原型固件

       我的原型固件基于这个库。我添加了一个简单的命令解释器，并设计了一个协议来控制SPI上的显示。这里的主要概念是一个字符显示，这意味着您将文本字符串发送到显示。显示器固件根据收到的文本字符串中的字符计算出要点亮的LED。显示器有自己的字体，可将字符转换为照明和非照明LED的图案。

我从原型中学到了什么

从原型中我了解到它是可行的。我还学会了如何控制HUB08类型的显示器。我使用的库并没有完全符合我的需要，所以通过修改库我学到了很多东西。我决定将LED控制信号驱动到5V，这需要电平转换器将Blue Pill的3.3V IO电平转换为5V。我想过尝试将它全部塞进Raspberry Pi原型帽，但我认为基于Blue Pill设计我自己的板可能更容易。

我还了解到，我使用的开发系统的引脚排列不符合Raspberry Pi的引脚排列。SPI引脚MOSI和MISO被交换。当我制作一块电路板时，我需要同时支持“正确”和“不正确”的引脚。

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第一板 - 原理图

     在证明“它可行”之后，下一步是设计PCB。这就是我提出的设计要求：

做个帽子

使用stm32

支持HUB08和HUB75连接

以5V驱动LED显示信号

支持正确和错误的SPI引脚排列

我决定制作电路板并自己填充。经过一番研究后，我选择了0805尺寸的元件，并带有手焊垫脚印。我开始使用蓝色药丸的原理图和stm32和电平转换器的数据表。我在KiCAD中创建了一个项目。

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我观看了Contextual Electronics 的Chris Gammell的“ 走向Blinky4.0”系列，然后我再次观看了它。我回到选定的剧集来帮助设置库和创建我自己的零件库。该系列涵盖了我开始所需的一切。

第一板 - PCB

我确信这对于专业人士来说主要是科学，但对我而言，这都是艺术和无知。我把东西移动到它看起来正确然后开始铺设轨道。对于原理图，更改了引脚映射几次，这样我就可以得到电平移位器，stm32和连接器以最少量的过孔布置。

一个棘手的部分是让Pi帽的尺寸正确。我不得不重做几次以使其足够接近规范。

订购电路板

我从Seeed Studio订购了电路板。他们以4.90美元制造了10块板。我打算只制作这个版本的1或2个版本。我采用了制定红色开发板的惯例。我们的想法是让开发板变红，生产板变绿。这样一来，如果有人不小心弄错了一个开发板，就很容易发现。

低成本电路板工厂的缺点是，与使用高级本地服务相比，获得电路板通常需要更长的时间。权衡是成本。我并不着急，没有预算，所以我可以证明等待。

订购部件

完成原理图并完成大部分电路板后，我可以着手寻找和订购制作电路板所需的部件。为此，您需要一个零件清单，这是物料清单（BOM）。KiCAD为您生成BOM。您需要做的是以可接受的价格和适合的交货时间从BOM中查找所有零件。

我订购了足够的昂贵组件来制作三块板。我买了100个无源器件，电阻器和电容器等。

建立电路板

我曾经以焊接为工作，但已经有一段时间了，因为我做了大量工作，而且无法使用专业工具。我在YouTube上观看了一些教程，看看有什么新东西和我忘记了什么。设计电路板并不困难，有一些细间距表面贴装元件，但是有足够的焊剂和一点技术，电路板就能很好地组合在一起。我焊了一块板。我订购了足够的部件来制作三个，但知道第一块板可能存在问题，因此在下一次迭代中保存了部件。

设计一块板子总是一种有趣的体验。你不确定它是否会起作用，或者是否会出现烟雾，或者更糟。我采取了一种保守的方法，首先用万用表进行良好的探测。我一直在寻找5V，3.3V和GND之间的高电阻。然后我将3.3V导轨连接到电源并接通电源，没有烟雾，但也没有LED。然后我尝试了数字探针。

数字探针是您将手指放在东西上以查看它是否很热的地方。不推荐用于高压电路，但对于低压电路，通常都可以。（我对丢失的指纹不承担任何责任，即使在低电压下，某些东西也会变得很热）。

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经过一些探测和测量后，我发现了一个没有连接网的错误。我错过了GND网络上的连接，因此部分电路板GND上没有连接到GND。我还意识到我在5V和3.3V线路上作为保护二极管放置的二极管，以保护Pi不受过压影响，电压下降太多。我使用了大约0.3V的射击二极管，但这太过分了。

我使用了一根短导线连接，并用0R电阻代替了二极管。然后我从原型中加载了固件。在我确信Pi连接器没有错误之后，没有任何连接在一起，或者电压或GND，我不应该将它连接到开发板。

显示器没有工作，经过一些逻辑探测器的探测之后，我可以看到我在SPI线路中放置的开关来纠正开发板的错误，这就是推迟信号，使MISO和MOSI不同步时钟。我决定删除开关，我需要找到一种替换方法来交换线路。对于下一次迭代，我决定使用跳线。不是自动的，但可以接受。这是在mod之后电路板的样子。

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Modded board - 1.0版

我让显示器正在使用第一个版本的电路板。我学到了足够的知识来开始第二个版本。

我学到的是

我在第一板上犯了一些错误。首先，我错过了GND网络上的连接，因此部分板GND没有连接到GND。

我的第二个错误是使用二极管来“保护”电路板上的5V和3.3V电压。二极管的电压下降太多。

第三个错误是在MISO和MOSI线路中使用开关。我曾计划检测电路板连接到哪个开发套件，并自动为正确和错误的电路板设置正确的MISO，MOSI映射。这没用。该开关在SPI线路中引入了延迟，因此时钟最终与MISO和MOSI异相。

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可以为下一次迭代进行其他几项的改进。我决定抛弃SPI开关并使用0R电阻。没有花哨的电路板检测，只需安装正确的电阻即可使SPI线路正确。这次我将运行设计规则检查器（DRC），然后将文件运送到晶圆厂。这将确保我已正确连接所有网络。我放弃了5V和3.3V电压轨的保护二极管。

我还会在电路板上添加一些测试点，以便下一步更容易实现。我改变的最后一件事是向显示器连接器添加标签。

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第二套电路板

我有足够的零件制作三块板。我决定做出改变并制作一套新的电路板。

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版本1.1 - 从1.0版学习

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在第二块板上，我做了以下更改：

去掉了保护二极管

增加了测试点

添加了显示连接的标签

删除了SPI线路交换机

使安装孔更大

我也可以手动焊接表面贴装元件。我认为它看起来比第一块板更整洁。我填充了第二块板中的2块。我为Technexion 6UL picopi开发套件制作了一个，为Raspberry Pi制作了一个。

大约在这个时候，Google宣布Android Things将不再支持6UL开发套件。这意味着我不再需要担心纠正我的主板上的SPI线路交换，但这也意味着我需要购买另一个开发套件，即imx7D pico pi。谷歌还宣布将不会有基于RaspberryPi格式的可交付产品。您可以使用imx7D和Raspberry Pi进行开发，但不能用于生产。

第二块板很好地让我考虑制作最终版本。这将是第三板。我决定专业组装第三块板，这意味着我需要对BOM进行一些更改以支持自动化生产。

第三板

我为第三块板（V1.2）做了一些更改。我移除了跳线以设置连接SPI线路的方向。我添加了一个跳线，以便我可以从Raspberry Pi连接器中选择CS0或CS1作为显示器的芯片选择。最大的变化是改变处理器。我想组装电路板，所以我使用了Seeed Studio的开放式零件库（OPL）中的组件。OPL中唯一可用的STM32是STM32F401。我改变了新微控制器的原理图和PCB。

我使用ST发现套件中的原理图作为参考，我需要为这个新控制器做一些额外的事情，还需要一些额外的引脚来连接。

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我也切换到较小的电阻器和电容器，因为这些将是机器组装的，我不需要它们那么大。另一个变化是添加一个5V连接器为电路板和Pi提供与显示器相同的电源。为此，我添加了推荐的保护电路，另一个二极管。这次是一个理想的二极管，其电压比我之前使用的实际二极管电压低得多。

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对于第三块板，我做了以下更改：

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将处理器更改为STM32F401

扩展了编程头以包含SWD

为SPI芯片使能CE0-CE1增加了一个跳线

为5V输入添加理想二极管和连接器

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第三板（V1.2）

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当前项目状态

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这是一个WIP项目，即它还没有完成。我有第三块电路板运行，代码移植到STM32F401，这意味着将使用Mbed平台。

我正在研究HUB075显示器的固件，但最近并没有投入太多时间。当我找到工作时间时，我会更新这个项目。

相关文件

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不错的想法

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