Anzeigemodul mit VQC10

Ein Display mit LED-Punktmatrixanzeigen aus DDR-Zeiten. Leiterplatte mit folgenden Eigenschaften:

• Maximalgröße 200 x 70 mm² (kann man noch bequem mit A4-Drucker ausgeben)
• Darstellungsumfang: 2 Zeilen à 20 Zeichen
• Leiterplatte kürzbar auf bis zu 1 Zeile à 8 Zeichen
• Doppelseitige Platine mit minimierter Anzahl von Durchkontaktierungen, mit Eigenbaumitteln (Drahtstück) fertigbar
• Durchsteckbauelemente ausschließlich von Unterseite kontaktiert
• Multiplexbetrieb durch modernen Mikrocontroller MSP430F5524 (einziger Schaltkreis auf der Platine, Musterlieferung von Texas Instruments möglich)
• leistungsfähige, preisgünstige p-Kanal-MOSFET zur Anodensteuerung, keine Zusatzbeschaltung (Widerstände) erforderlich
• USB-Anschluss und -Speisung, HID-Klasse, für PC-Anschluss
• Möglichkeit für RS232, RS485, SPI und I²C durch eingebauten Port-Mapping-Controller an den verbleibenden 3 freien Pins
• Anzeige per Software stürzbar (der USB-Anschluss kann wahlweise oben oder unten sein)

Für einen HD44780-kompatiblen Anschluss fehlten hier freie Pins.

Vor- und Nachteile

Gegenüber günstig (besonders bei Pollin) verfügbaren LCD-Anzeigemodulen besitzen derartige LED-Punktmatrixanzeigen folgende Vorteile:

• Ablesbarkeit ohne Winkelabhängigkeit
• relativ groß (günstig für ältere Personen und Brillenträger)
• selbstleuchtend, nachts gut lesbar
• superschnelle Anzeige-Aktualisierung, Laufschrift u.ä. Effekte möglich
• Modul stürzbar (diese Eigenschaft fehlt den üblichen LCD-Modulen)

Dem stehen folgende Nachteile gegenüber:

• Hoher Stromverbrauch, Batteriebetrieb inakzeptabel
• relativ groß (schlecht für Kleingeräte) - dafür gibt's OLED-Anzeigen
• Bei Sonneneinstrahlung schlecht ablesbar
• hoher EMV-Störpegel durch die hohen geschalteten Ströme (ungünstig für Amateurfunk und Messtechnik)
• teurer (je nachdem, wie man an die VQC10 herankommt; hier lagen sie nur herum)

Verwendungsmöglichkeiten

Ein solches Anzeigemodul ist für Case-Modding viel zu schade. Auch für die reine Zifferndarstellung ist Punktmatrix übertrieben; Siebensegmentanzeigen sind besser ablesbar.

Ich denke da vielmehr an folgende Anwendungen:

• Rufnummern- und Namensanzeige bei eingehenden Telefonanrufen für „alte“ Telefone (und Rentner)
• Fernbedienbare Motorsteuerungen, wie dem Hexapod (Positionsanzeige und Schrittweite)
• Messwertanzeige an Werkzeugmaschinen (mit Einheit)
• Anzeigen für Kantinenspeisepläne (für Mensen und den Nahverkehr gibt's das ja schon zwei Nummern größer)

Für die Kommunikation mit dem „zweiten“ Mikrocontroller bietet sich SPI oder I²C an. Dieses Modul implementiert Slave-SPI bzw. Slave-I²C, d. h. der „zweite“ Mikrocontroller muss (darf) den Takt vorgeben.

Schaltplan und Board-Layout

Die Leiterplatte ebenso: Vektorgrafik Oberseite, Vektorgrafik Unterseite, Pixelgrafik Oberseite, Pixelgrafik Unterseite, xslt-prozessiert.

Die obere Reihe der Anzeigemodule wurde gestürzt angeordnet, um die beiden Textzeilen einander etwas näher zu bringen.

Die chaotische Zuordnung der Leitungen an den Mikrocontroller erleichterte die Entflechtung der Leiterplatte erheblich, verkompliziert hingegen die Firmware etwas. Alle 10 Katodenleitungen befinden sich jedoch an genau einem 16-bit-Port, PA (= P1 und P2), für eine schnelle Interruptserviceroutine.
Motto: Software ist billiger als Hardware!

Bekannte Konstruktionsfehler (2015)

• Kein freier Analogeingang, auch infolgedessen kein Umgebungslichtsensor (Fototransistor) anschließbar
• Pull-Up für p-MOSFET-Gates fehlen, wichtig ist dieser für die Latch-Zuschaltung (10 kΩ); dadurch hoher Stromverbrauch beim Betrieb des Bootloaders und Gefahr des Durchbrennens der LEDs
• Pull-Down für PUR fehlt (1 MΩ); Bootloader wird manchmal trotz geladener Firmware aktiviert
• Serienwiderstände in USB-Leitungen fehlen (2× 22 Ω), macht sich bei langer USB-Leitung bemerkbar
• Zwang zu Kondensatoren in 0603-Bauform (die Elkos im Foto waren so nicht vorgesehen und wurden nur in Ermanelung passender SMDs bestückt; es gibt sie aber allesamt zu kaufen)

Firmware

… in Entwicklung …

Der Anzeigeteil realisiert das Multiplexen der Anzeige mit nominell 100 Hz sowie einer Helligkeitsmodulation zur Darstellung hervorgehobener oder abgeschwächter Zeichen und Einzelpixel sowie zur Anpassung an die Umgebungshelligkeit. Jede der 7 Anodenzeilen wird bis zu 1,4 ms eingeschaltet. TODO: Zu Pausenzeiten werden auch die Strom fressenden VQC10-Latches abgeschaltet.

Intern arbeitet das Programm mit einer repräsentativen Bitmap (also Vollgrafik) mit 2 Ebenen (für 3 Helligkeitsstufen). Bei jeder Änderung wird diese Bitmap von der Hauptschleife in ein „Katoden-Array“ umgerechnet, die zum schnellen Multiplexen die Daten vorhält. Die Zeichendarstellung erfolgt durch Kopieren der Zeichenform (Font) in die Bitmap.

Der USB-Teil implementiert ein USB-HID-Gerät der "Alphanumeric Display Page" (0x14), also maximal USB-konform. Die Usage ist im Dokument "Universal Serial Bus HID Usage Tables" ab Seite 109 dokumentiert.

Geflasht wird die Firmware via eingebautem USB-Bootloader (BSL) und meiner Quick-And-Dirty-Version von msp430-usbbsl. Zum Aktivieren des Bootloaders Pin 51 (PUR) mit 3,3 V verbinden, dann Reset aktivieren (Pin 64 nach Masse) oder Strom zuschalten.