PIC를 이용한 16X16 LED DOT MATRIX DISPLAY

[맥가이버 hong]

PIC를 이용한 16X16 LED DOT MATRIX DISPLAY

 

개발자 : 손석환

 

 

차례

 

1. 개발목포

2. 개발내용 및 범위

  2-1 LED 매트릭스

  2-2 MAIN CPU

3. 개발방법

  3-1 하드웨어

  3-2 소프트웨어

4. 결론

5. 기타

1. 개발 목표

거리를 돌아다니다 보면 곳곳에 위치한 전광판을 많이 접하게 될 것이다. 단순히 온도나 시간을 표시한 것에서부터 광고용으로 제작된 것까지 여러 가지 형태의 전광판을 본 경험이 누구나 있을 것이다. 단순하면서도 여러 가지의 표현이 자유로운 것에 대하여 그 원리를 이해하고자 삼색 전광판의 기본 모듈인 16X16 LED DOT MATRIX DISPLAY 장치를 가지고 간단한 실험을 하려고 한다. PIC를 이용하여 PC와의 Serial Communication을 구현할 수도 있다.

2. 개발 내용 및 범위

 2-1 LED 매트릭스

LED MATRIX는 개발 내용에 충실한 삼광전자 제품을 사용한다. 사용할 수 있는 모듈은 광전자 제품과 삼광전자 제품이다. 삼성제품은 표출방식이 다르기 때문에 제외한다.
⊙ 기성품 모듈이란 일반적으로 LED DOT MATRIX MODULE 라고 하며 가로 16 DOT x 세로 16 DOT = 256 DOT 즉 적색, 녹색, 황색의 LED가 256개 박혀있다고 보면 되겠다. (물론 황색은 적색과 녹색을 합해서 나오는 색이다.) 이런 기성품이 나오기 전에는 일일히 LED 한 개, 한개를 PCB에 조립해서 만들었었다.

SMM33216은 16X16 LED 도트 매트릭스 2개를 연결하여 32X16 도트 매트릭스로 구성한 제품이다.

 

전기적 특성

Parameter		Symbol	Min	Typ	Max
Input Voltage		Vcc	4.85 V	5.00 V	5.15 V
Clock Frequency		fCLK			7 MHz
Driving Method			1/16 Duty Drive
Luminous Intensity	Red	lv		11 mcd
	Yellow Green			13 mcd
Peak Emission Wavelength	Red	λp		660 nm
	Yellow Green			568 nm
Spectrum Radiation Bandwidth	Red	Δp		20 nm
	Yellow Green			30 nm
Operating Temperature Range		Topr	-5 ∼ +65 ℃
Storage Temperature Range		Tstg	-20 ∼ +85 ℃

 

 

Pin Connection

No	Name	Single Color	Multi-Color
1	DATA	Red, Green, Amber signal	Red signal
2	DATA		Green signal
3 4 5 6	A0 A1 A2 A3	Raw address control It can be controlled 0000 to 1111 (in 16X16module)	Raw address control It can be controlled 0000 to 1111 (in 16X16 module)
7	ENABLE	Brightness control	Brightness control
8	LATCH	Data latch control "H" Data input and display "L" Data input disable and display memorized data	Data latch control "H" Data input and display "L" Data input disable and display memorized data
9	CLOCK	Clock signal for data input and display	Clock signal for data input and display
10	GND	Ground	Ground

 

BLOCK DIAGRAM

 

Timing chart

 2-2 Main CPU

주 Controller는 PIC 원칩을 사용하여 제어한다. Serial Communication을 위해서는 MAX232 칩을 사용하여 RS-232c 통신을 한다.

 

모델명 : PIC16C74A
PIC16C74A는 A/D 컨버터가 내장되어 있고 Slave port를 가지고 있는 다기능의 다목적 원칩이다. 직접 액세스 할 수 있는 프로그램 메모리가 2048워드, 레지스터가 128비트로 확대되어 명령어의 길이가 14비트로 확장되었다. Serial 통신을 위한 포트를 가지고 있다.
그림은 PIC16C74A의 핀 구성을 보여준다. Reset 스위치를 위한 Vpp와 Porta, Portb를 사용한다.
High speed 발진을 위해서 외부에 Oscillator를 사용하므로 CLKIN과 CLKOUT 핀을 이용하여 11MHz의 수정발전기를 연결한다.

 

PIC16C74A는 문자 발생을 위한 데이터와 Serial Communication을 통한 수신 데이터를 가지고 있게된다. 이 데이터들을 Dot Matrix로 출력하게 되는데 내부의 데이터는 이미 만들어진 문자이고 Serial 데이터는 Editor에 의해 만들어진 데이터 값이다.

 

PIC16C74A의 Program Memory

a. 스택
스택은 8레벨로 구성되어 있고 CPU 자체에 내장되어 있어 다른 CPU에서 처럼 스택에 데이터를 저장하고, 빼내는 PUSH/POP명령이 없고 자동으로 해결하여 준다.
스택을 8번 이상 부르면 스택 Overflow가 발생하게 되므로 주의를 하여야 한다.
b. 프로그램 메모리
프로그램 영역은 0000h∼0FFFh로 비교적 넓은 영역을 가지고 있다. 0000h 번지는 Reset Vector로 Reset 발생시 Return 되는 영역이다. 0004h는 Interrupt Vector로 WDT 인터럽트, Power on 인터럽트, 프로그램 인터럽트 등이 발생하면 Return 되는 영역이다. 실제 프로그램의 시작은 0005h 번지부터 행하여 지고 0FFFh 번지까지 프로그램을 할 수가 있다. 07FFh 번지까지는 Page0로 0800h∼0FFFh 번지의 Page1 영역으로 브랜치 할 때에는 Page mode를 STATUS 레지스터에 변환해 주어야 한다. 프로그램 카운터의 상위 비트 역시 변환해 주어야 프로그래머가 원하는 브랜치를 얻을 수 있다.

3. 개발 방법

 3-1 하드웨어

DOT MATRIX Part
도트 매트릭스는 삼광제품을 사용하는 것을 기본 전제로 하였기 때문에 새로 하드웨어를 구성하지는 않는다. 삼광에서 나오는 제품을 그대로 사용한다. 이 제품에는 16X16 도트 매트릭스 2개와 Driver가 내장되어 있다. 전원부와 Signal Input/Output 부분에 대한 것만 구성하면 된다. 매트릭스가 여러 개인 경우 입출력 버스선을 맞추어 연결하기만 하면 된다. 매트릭스 구동을 위해서는 버스선 입력부에 연결해야 하고 추가된 매트릭스에 출력값을 Shift 시키려면 출력부로부터 추가된 매트릭스의 입력부로 연결해야 한다.

 

PIC Part

DOT MATRIX DISPLAY를 위한 하드웨어는 PIC16C74A 키트를 응용하여 설계된다. DOT MATRIX는 제어신호를 PIC로부터 받게 된다. PIC의 PORTA에서 Red, Green 데이터, Latch 신호, Enable 신호, Clock 신호를 출력하게 된다. MATRIX의 어드레스는 PORTB에서 신호를 증가하면서 출력하는 신호를 받게 된다. 기본 동작원리는 serial로 data를 보내게 되어 있는데 순서는 데이터 테이블에서 1바이트 데이터를 읽어 shift register select 한다. 데이터는 1바이트씩 구성되므로 shift는 8번씩 두 번에 걸쳐 하면 된다. MSB data(red, green )부터 보내고 clock 하나 띄우고 16*16를 사용하므로 16번을 한다. data 다 보냈으면 Bright를 enable하고 register를 latch 시킨다. 총 줄이 16줄이므로 line selection(어드레스 증가)을 한다. latch 신호를 high로 하고 난 다음 bright를 disable하면 된다.
DOT MATRIX에 Driver가 내장되어 있으므로 PIC 부분에서는 복잡한 구성은 하지 않아도 된다. PIC로 제어신호를 Timing에 맞게 DOT MATRIX에 보내어 주기만 하면 된다.

 

Serial comm. part
Serial 통신을 위한 부분에서는 PC로부터 1바이트 데이터 32만 받으면 되므로 PIC의 Serial port를 통하여 입력을 받으면 된다. 중간에 MAX232로 rs232 통신을 위한 하드웨어만 추가해 주면 된다. Null modem Cable을 이용하여 통신을 하므로 데이터의 전송과 수신 그리고 GND 만 연결해 주면 된다. (C = 10㎌)

 

회로도

 

 3-2 소프트웨어

소프트웨어는 PIC에 들어가 기본 Assemble Source와 PC쪽에 필요한 DOT MATRIX editor 프로그램 Source가 필요하다. 여기에는 두 장치간의 Serial 통신을 위한 프로토콜을 맞추어 주기 위해 Serial 통신 Source가 포함된다.

 

Assemble 순서도 for PIC

 

Assemble Source

 

소프트웨어의 동작
16*16 DOT를 표시하려면 한줄 한줄 16줄을 차례로 표시해야 한다. 이때 한줄은 약 1ms동안 표시를 하면 적당하다. 보통 PC나 TV 모니터는 1초에 60번 정도 화면을 뿌리는데 이렇게 60번 정도를 뿌려야 사람의 눈이 깜빡임 느끼지 못한다. 그래서 DOT MATRIX 에서도 60정도를 뿌리게 해야 한다. 한장을 뿌리는데 걸리는 시간은 1/60 이고, 이것은 다시 16줄은 한줄 한줄 뿌려야 하므로 (1/60)/16 = 약 0.001초가 된다. 결국 한줄을 1ms동안 표시하면, 1초에 약 60번 정도 화면을 뿌리게 되는 것이 된다. 만약 이 1ms보다 빠른 시간으로 표시하여 1초에 60장 이상을 표시하겠다고 하면, 불의 밝기가 흐려지고, 잔상이 많이 남는다. 1ms보다 느리면 불의 밝기는 밝아지지만, 깜빡거림을 느끼게 된다. 그래서 1ms가 정당하다.

 

a.16*16 모듈의 첫 번째 줄에 데이터를 보내고, ST신호를 준다.
   첫줄에 표시가 되도록 /OE단자를 ENABLE시킨다. 이때 /OE단자가 약1ms동안 ENABLE 된다.
b.첫번째 줄이 켜져 있는 동안 두번째 줄의 데이터를 준비한다.
c.두번째줄도 1.과 마찬가지로 표시한다.
d.위와 같이 16줄을 다 표시하면, 다시 첫줄에서 16줄까지를 표시한다.
   이것은 DOT MATRIX에 내장된 Driver가 알아서 해 준다.

4. 결  론

문제점

 

전광판의 가장 근본적 문제가 아닌가 생각한다. 우선 낮에도 잘 보일 수 있도록 밝기가 충분해야 하며 빨간 색과 녹색의 밝기도 거의 비슷해야 한다. 그렇지 않다면 노란 색의 구분이 곤란하다. 보통 한 줄에다가 Vcc를 계속가해 주면 밝기도 밝아지고 노란 색 구분도 쉬워지지만 전광판은 계속 Scan 해야 하므로 밝기를 조정하기가 어렵다. Driver가 내장되어 있긴 하지만 소프트웨어를 이용하여 모든 Signal을 Control 해야 하므로 하드웨어와 잘 맞지 않아서 밝기에 영향을 준다. 좀더 전압을 안정적으로 공급이 가능하도록 해야 하는 문제점이 발생하였다.

 

개발의 초점을 하드웨어보다는 소프트웨어에 맞추어 작업을 했기 때문에 예기치 않은 오류가 발생하는 것에 당황했었다. 좀더 많은 시간을 투자하여 문제의 원인을 찾아 해결해야 하겠다.

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