Информационное табло на RGB-матрицах 64x64

Общие сведения

В этом проекте мы подключим RGB-светодиодные матрицы 64x64 к Raspberry Pi и выведем на них сначала кадровый буфер, а затем бегущую строку.

Видео

Нам понадобится

• 1x Raspberry Pi
• 1x RGB Matrix Hat
• 6x RGB матрица 64x64
• 1x Блок питания 5В, 40А

Подключение

Для подключения матриц 64x64 необходимо установить джамперы RGB Matrix Hat в следующее положение:

Установим RGB Matrix Hat:

Теперь можно подключить цепочку с матрицами:

Вывод кадрового буфера

При помощи библиотеки RPI-FB-MATRIX возможен вывод кадрового буфера. То, что выводится в hdmi порт, будет выведено на матрицы. Возможно выводить как часть экрана (crop), так и весь экран в масштабе (scale).

Откроем эмулятор терминала

и выполним команду

git clone https://github.com/tremaru/rgb-fb-matrix

Далее необходимо установить библиотеку libconfig++

sudo apt update && sudo apt install libconfig++-dev

После этого можно приступать к сборке. Для этого перейдём в директорию rgb-fb-matrix

cd rgb-fb-matrix

И запустим программу make

make -j

После завершения программы make в директории появятся две утилиты, первая называется display-test, вторая rpi-fb-matrix. Обеим утилитам для работы необходимо передать файл конфигурации. В нём необходимо указать размеры панели, количество панелей и ориентацию панелей. Подробнее об этом можно узнать в примере файла конфигурации matrix.cfg, который находится в этой же директории.

Рассмотрим пример файла конфигурации.

Рассмотрим на примере подключения двух панелей 128x64:

display_width = 192; // общее количество пикселей в ширину
display_height = 128; // общее количество пикселей в длинну

panel_width = 64; // количество пикселей одной матрицы в ширину
panel_height = 64; // количество пикселей одной матрицы в длинну

chain_length = 6; // количество панелей
parallel_count = 1; количество паралельных линий. Подробнее о подключении паралельных линий читайте в файле README.md

// Геометрия подключения панелей
panels = (
        // order - порядковый номер панели, 0 - первая панель экрана,
        // правый верхний угол которой соответствует 0 X и Y экрана.
        // rotate - угол ориетнации панели 0 или 180
        ( {order = 0; rotate = 0;}, {order = 1; rotate = 0; }, {order = 2; rotate = 0; } ),
        ( {order = 5; rotate = 180;}, {order = 4; rotate = 180; }, {order = 3; rotate = 180; } )
)

// Если раскомментировать строку ниже, то вывод на матрицы будет не масштабирован (scale)
// а обрезан (crop) начиная с указанной в скобках координаты (0, 0 - правый верхний угол экарна)
// crop_origin = (5, 95)

Для тестирования файла конфигурации воспользуемся утилитой display-test, передав ей файл конфигурации и дополнительные аргументы:

sudo ./display-test matrix.cfg --led-no-hardware-pulse --led-slowdown-gpio=3

В правом верхнем углу каждой матрицы загорится белым её порядковый номер в массиве матриц.

Выведем кадровый буфер на сборку матриц

Для вывода на матрицы запустим утилиту rgb-fb-matrix и передадим ей файл конфигурации и дополнительные аргументы:

./rgb-fb-matrix matrix.cfg --led-no-hardware-pulse --led-slowdown-gpio=3 --led-pwm-bits=5 --led-pwm-lsb-nanoseconds=60

Скрипт проекта

Далее выведем бегущую строку на матрицы при помощи байдингов для python.

Перейдём в директорию с байдингами для python:

cd rpi-rgb-matrix/bindings/python/samples

В этой папке уже есть демо-скрипты для python, откроем runtext.py и немного изменим его содержание на следующее:

from samplebase import SampleBase
from rgbmatrix import graphics
import time

text = "Привет мир! Это бегущая строка на матрицах 64x64. "
text += "Для установки библиотеки выполните команду: "
text += "git clone https://github.com/tremaru/rpi-fb-matrix"

pos_y = 55

class RunText(SampleBase):
    global text
    global pos_y
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super(RunText, self).__init__(*args, **kwargs)
        self.parser.add_argument("-t", "--text", help="The text to scroll on the RGB LED panel", default=text)

    def run(self):
        offscreen_canvas = self.matrix.CreateFrameCanvas()
        font = graphics.Font()
        font.LoadFont("../../../fonts/40x60.bdf")
        textColor = graphics.Color(255, 255, 0)
        pos = offscreen_canvas.width
        my_text = self.args.text

        while True:
            offscreen_canvas.Clear()
            len = graphics.DrawText(offscreen_canvas, font, pos, pos_y, textColor, my_text)
            pos -= 1
            if (pos + len < 0):
                pos = offscreen_canvas.width

            time.sleep(0.05)
            offscreen_canvas = self.matrix.SwapOnVSync(offscreen_canvas)


# Основная функция
if __name__ == "__main__":
    run_text = RunText()
    if (not run_text.process()):
        run_text.print_help()

Сохраним скрипт и запустим его, указав дополнительные аргументы для матриц 64x64:

python3 ./runtext.py --led-no-hardware-pulse=1 --led-cols=64 --led-rows=64 --led-chain=6 --led-slowdown-gpio=3 -t "Привет Мир!"

Описание дополнительных аргументов

Ниже приведён список некоторых аргументов и их краткое описание.

Оптимизация вывода

Для оптимизации и ускорения вывода на матрицы можно попробовать следующие шаги:

• Выключить встроенный звук Raspberry. Для этого в файле /boot/config.txt необходимо добавить строку dtparam=audio=off. При этом необходимо запускать скрипты и программы библиотеки с командой sudo и не использовать ключ --led-no-hardware-pulse

• Выключить интерфейсы, которые могут использовать gpio выводы, например SPI и 1-Wire. Сделать это можно при помощи команды sudo raspi-config

• Библиотека использует центральный процессор для вывода (по заявке автора DMA контроллер Rasbperry оказался слишком медленным). На многоядерных Raspberry можно выделить одно ядро исключительно под обработку массива матриц. Для этого в файл /boot/cmdline.txt необходимо добавить isolcpus=3 для четырёхядерных Raspberry. В этом файле должна быть только одна строка и этот параметр следует добавлять в конец этой строки.

• Дальнейшего быстродействия можно добиться использованием комбинаций из следующих параметров библиотеки:

  • --led--pwm-bits=<1..11> - параметр задаёт количесво битов для ШИМ. Меньшее число даёт большее быстродействие и меньшую глубину цвета
  • --led-scan-mode=<0..1> - этой командой можно задать черезстрочную или прогрессивную развёртку. Черезстрочная развёртка в два раза быстрее, за счёт ухудшения качества отображения (--led-scan-mode=1)
  • --led-pwm-lsb-nanoseconds=<50..300> - этот параметр позволит достичь большего количества кадров в секунду при меньших его значениях. Побочным эффектом может быть гостинг (светодиоды, которые не должны гореть будут неярко светиться)
  • --led-pwm-dither-bits - этим параметром можно добиться больших кадров в секунду за счёт яркости. По умолчанию 0.

Если картинка "дрожит" или "размазана" по панелям, возможно нужно замедлить скорость переключения выводов GPIO Raspberry. Это можно сделать при помощи параметра --led-slowdown-gpio. Большие значения сильнее замедляют вывод, но дают более стабильную картинку. В случае с Raspberry Pi 3A+ и матрицами 64x64 с адресацией ABCDE мы использовали --led-slowdown-gpio=3.

При подборке необходимых значений параметров имеет смысл использовать параметр --led-show-refresh для мониторинга частоты обновления сборки матриц.

Стоит отметить, что чем больше матриц включает в себя сборка, тем медленнее будет вывод на них. Например, на матрицу размером 32x16 необходимо 32 (ряда) * 16 (колонок) * 11 (бит цвета) * 180 (Гц, частота обновления) - больше 1000000 операций в секунду!

В параметрах, передаваемых скриптам Python необходимо всегда указывать значение, например --led-no-hardware-pulse=1 (в отличии от Си, где можно просто --led-no-hardware-pulse)

Значения всех параметров можно определять прямо в коде при использовании библиотеки. Все параметры хранятся в объекте rgbmatrix.RGBMatrixOptions

Пример для Python:

from rgbmatrix import RGBMatrix, RGBMatrixOptions

options = RGBMatrixOptions()
options.rows = 64
options.cols = 64
options.chain_length = 6

# код вывода

Пример для C++:

#include "led-matrix.h"

int main(int argc, char** argv)
{
    RGBMatrix::Options options;
    options.rows = 64;
    options.cols = 64;
    options.chain_length = 6;
    RGBMatrix* matrix = rgb_matrix::CreateMatrixFromFlags(&argc, &argv, &defaults);

    // код вывода
}

Ссылки

• Raspberry Pi
• RGB Matrix Hat
• RGB матрица 64x64
• Блок питания 5В, 40А
• Github: библиотека RPI-FB-MATRIX
• Wiki: RGB матрица 64x32, 64x64, 128x64, подключаем к Raspberry