matrixClock – efektowny zegar stołowy (1)

Z jednej strony chciałem, by odznaczało się ono dużą prostotą implementacji oraz nieskomplikowaną obsługą, a z drugiej strony – efektownym i nowoczesnym interfejsem użytkownika. Nie ukrywam, że inspiracją do powstania niniejszego projektu był zakupiony przeze mnie na chińskim portalu sprzedażowym prosty zegar biurkowy, wyposażony w bardzo efektowny, graficzny wyświetlacz VFD. Dodajmy: bardzo efektowny, ale niewielki, gdyż konstrukcja dużych wyświetlaczy tego typu, zwłaszcza graficznych, jest niezwykle kosztowna i w zasadzie odchodzi do lamusa. Zaintrygowany wspomnianym rozwiązaniem postanowiłem skonstruować urządzenie o zbliżonej funkcjonalności, lecz wyposażone w znacznie większy wyświetlacz graficzny, a ponieważ z założenia urządzenie miało być proste w implementacji i niedrogie w konstrukcji – do roli elementów interfejsu użytkownika wybrałem popularne, dość duże matryce LED o organizacji 5×7 pikseli. Przyznam szczerze, że przez chwilę zastanawiałem się nad zastosowaniem programowalnych diod LED, ale biorąc pod uwagę niezbędną liczbę takich elementów (a co za tym idzie – koszt ich zakupu), jak i trudność późniejszej implementacji zrezygnowałem z tego pomysłu, pozostając przy wspomnianych już matrycach. I właśnie na bazie powyższych założeń powstał projekt urządzenia matrixClock, którego schemat pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy urządzenia matrixClock

Jak widać, zaprojektowano bardzo prosty system mikroprocesorowy, którego serce stanowi niewielki, ale nowoczesny mikrokontroler ATtiny806 firmy Microchip (dawniej Atmel), taktowany wewnętrznym oscylatorem RC o częstotliwości 10 MHz i realizujący całą założoną funkcjonalność urządzenia. Mikrokontroler nasz steruje pracą grupy czterech 8-bitowych rejestrów przesuwnych (szeregowo-równoległych) typu STPIC6C595 (wyprowadzenia PB5…PB2 mikrokontrolera), dzięki którym realizuje obsługę 6 matrycowych wyświetlaczy LED w konfiguracji wspólnej anody (wyprowadzenia PA7…PA1 mikrokontrolera) oraz 5 dodatkowych diod LED, oznaczonych jako LED7…LED11. Ponadto obsługuje zegar czasu rzeczywistego z podtrzymaniem bateryjnym pod postacią układu MCP79410-I/SN firmy Microchip – oraz prostą klawiaturę złożoną z 4 przycisków typu microswitch (wyprowadzenia PC3…PC0 mikrokontrolera), przeznaczonych do obsługi urządzenia. W ramach ostatniej z wymienionych funkcjonalności układ – w celu eliminacji drgań styków oraz detekcji krótkiego i długiego naciśnięcia każdego z przycisków – używa wbudowanego weń 16-bitowego układu czasowo-licznikowego TCB0 pracującego w trybie Periodic Interrupt. Uważnego Czytelnika zastanowi zapewne fakt wyboru nietypowych rejestrów przesuwnych zamiast zwyczajowych 74HC595. Jak się zapewne domyślacie, do obsługi tylu wyświetlaczy LED skorzystano ze znanego mechanizmu multipleksowania, a że do wysterowania mamy aż 32 wspólne katody (wyświetlaczy matrycowych LED1…LED6 i diod LED7…LED11), konieczne stało się sterowanie tymi elementami dość dużym prądem, by wynikowa ich jasność była na akceptowalnym poziomie. W takim wypadku zastosowanie zwykłych 74HC595 okazałoby się niewystarczające, w związku z czym sięgnięto po element, na którego równoległych wyjściach zintegrowano tranzystory mocy DMOS pozwalające na przepływ prądu rzędu 100 mA na wyjście (przy aktywnych wszystkich wyjściach!). Dość egzotyczne może się również wydawać przyporządkowanie poszczególnych wyjść rejestrów przesuwnych do wspólnych katod elementów LED, gdyż pozornie nie ma w nim większego sensu. W sensie elektrycznym rzeczywiście tak można to postrzegać, lecz przyporządkowanie, o którym mowa powyżej, wynika z chęci uproszczenia projektu obwodu drukowanego, zaś wszelkie niedogodności z niego wynikające zostaną zniwelowane na drodze programowej.

Fotografia 1. Zmontowane urządzenie od strony warstwy TOP

Fotografia 2. Zmontowane urządzenie od strony warstwy BOTTOM

Zegar czasu rzeczywistego jest obsługiwany przy użyciu interfejsu TWI, będącego funkcjonalnym odpowiednikiem standardu I²C firmy Philips. Już teraz zwrócę uwagę, że jeśli chcemy, by nasz zegar wspierał funkcję podtrzymywania bateryjnego, należy zastosować dokładnie taki typ układu, jaki podano powyżej (i w spisie elementów), gdyż producent tego peryferium oferuje także wersje bez tej funkcjonalności oznaczone innym sufiksem.

Wyświetlacze LED i diody LED7…LED11 są sterowane w trybie multipleksowym z częstotliwością odświeżania 60 Hz. Plik nagłówkowy zawierający najważniejsze definicje używane do obsługi multipleksu pokazano na listingu 1, zaś na listingu 2 można zobaczyć stałe definiujące wzorce poszczególnych znaków.

Zastosowane rozwiązania programowe, mające na celu optymalizację szybkości wykonywania kodu, objaśniono już przy okazji projektu miernika pojemności cMeter, opublikowanego w EP 05/2024 – zainteresowanych Czytelników zachęcamy do zapoznania się z zamieszczonym tam szczegółowym opisem.

Funkcję konfigurującą mechanizm multipleksowania i dokonującą niezbędnych ustawień sprzętowych pokazano na listingu 3.

Dalej, na listingu 4 zamieszczono funkcję obsługi przerwania od przepełnienia licznika TCA0, odpowiedzialną za realizację mechanizmu multipleksowania wyświetlacza LED.

Listing 5 pokazuje funkcję wyświetlającą wzorzec znaku na elemencie LED. Jak widać, funkcja przyjmuje zarówno argument przesunięcia w pionie wzorca znaku o liczbę zdefiniowanych pikseli obrazu (w zakresie 0…8), co zostanie użyte w mechanizmie animacji zmian wyświetlanych cyfr – jak i argument odpowiedzialny za miganie wyświetlanej treści, co znajdzie z kolei zastosowanie w menu ustawień urządzenia (do wyróżnienia wartości poddawanej edycji). To już wszystko, jeśli chodzi o funkcje obsługi wyświetlacza LED – przejdźmy zatem do grupy funkcji odpowiedzialnych za obsługę interfejsu TWI. Nie jest to szczególnie nowatorskie rozwiązanie, jednak interfejs TWI w nowych mikrokontrolerach AVR Tiny z serii 0 różni się znacząco – pod względem sposobu obsługi, rozmieszczenia i znaczenia rejestrów konfiguracyjnych – od starszych wersji tych mikrokontrolerów, dlatego warto mu się przyjrzeć bliżej.

Warto podkreślić, że prezentowane rozwiązanie nie będzie na wskroś uniwersalne (zależało mi bowiem na prostocie rozwiązań programistycznych), lecz w tak prostych zastosowaniach, jak omówione tutaj, moim zdaniem okazuje się wystarczająco dobre. Stosowny driver (w tym używający przerwań TWI) możemy zresztą wygenerować automatycznie z poziomu środowiska Microchip Studio, lecz jak możecie się sami przekonać, rozwiązanie proponowane przez producenta jest bardzo skomplikowane. Dzieje się tak, gdyż – jeśli ma pozostać w pełni uniwersalne – musi operować na dość dużym poziomie abstrakcji.

Zacznijmy od pliku nagłówkowego, którego ciało pokazano na listingu 6. Dalej, na listingu 7, zaprezentowano ciało funkcji inicjalizującej interfejs TWI mikrokontrolera AVR Tiny 0-series.

Na listingu 8 pokazano z kolei ciało funkcji odpowiedzialnej za wygenerowanie sygnału START interfejsu I²C i przesłanie adresu slave’a (wraz z bitem kierunku R/W), zaś na listingu 9 – ciało funkcji odpowiedzialnej za wygenerowanie sygnału STOP interfejsu I²C. I na koniec dwie kluczowe funkcje, pozwalające na zapis i odczyt bajtu poprzez interfejs I²C, których ciała pokazano odpowiednio na listingach 10 i 11.

Skoro wiemy już, jak obsługiwać interfejs TWI naszego mikrokontrolera, pora na omówienie modułu obsługi zegara MCP79410-I/SN. Tradycyjnie zacznijmy od pliku nagłówkowego, którego ciało pokazano na listingu 12.

Jak widać, wprowadzono dwa dodatkowe typy strukturalne (timeType, dateType), odpowiedzialne za przechowywanie oraz przetwarzanie czasu i daty wbudowanego zegara RTC. Następnie, na listingu 13, pokazano funkcję, której zadaniem jest konfiguracja cech sprzętowych zegara czasu rzeczywistego.

Argument wywołania tejże funkcji decyduje o ustawieniach RTC (np. ustawieniach wyjścia MFP) i w przypadku naszego urządzenia przyjmuje wartość:

MFP_AS_SQUARE_OUTPUT|NO_ALARMS_ACTIVE|INTERNAL_OSCILLATOR|SQUARE_1HZ;

Na listingu 14 pokazano z kolei dwie proste funkcje narzędziowe, umożliwiające odczyt i zapis czasu RTC, zaś na listingu 15 – bliźniacze dwie funkcje odczytu i zapisu, ale tym razem daty.

W telegraficznym skrócie omówiliśmy kwestie implementacyjne, w związku z czym w drugiej części artykułu omówimy zagadnienia związane z montażem i obsługą urządzenia.

Robert Wołgajew, EP