LED-панелі, контролери, або як зробити світлодіодний екран, частина перша

Недарма колись сказали, що апетит приходить під час їди. Можу підтвердити на 100%. Я вже публікував два огляди світлодіодних панелей, хоча точніше буде сказати: один огляд і одне доповнення. Сьогодні ж розповім вам про світлодіодні панелі з вищою роздільною здатністю, контролери, а також спілкування з продавцями.
Тож заварюйте каву або чай, вмощуйтеся зручніше — розповідь буде довгою.
Увага, огляд дуже об’ємний, це може бути критично для користувачів із платним трафіком.


Мабуть, правильніше буде сказати, що панелі й усе інше я замовляв не для себе, а для товариша, як і минулого разу. Він покористувався попереднім рядком і зрозумів, що хочеться більшого, тож і було зроблено це замовлення.
Вибором обладнання, корпусами й монтажем займався він, а на мені були власне замовлення всього цього, перевірка та спроба розібратися, що до чого і як усім цим керувати.
Пригод було чимало, не всі ще закінчилися, але основні висновки вже є, тож можна спокійно розповісти про нашу епопею з новим біжучим рядком.
Крім того, допускаю, що в огляді є певні помилки, адже, по суті, це лише другий біжучий рядок, який я випробовую. Та й експериментував я всього кілька днів. Огляд — спроба записати все, що я дізнався в процесі, щоб не забути.

Насамперед треба зазначити, що в цьому випадку це вже не просто «біжучий рядок», а повноцінний екран із можливістю налаштування та показу відео, тож і ціна буде іншою.

Спершу варто сказати, чому саме світлодіодні панелі.
1. Висока яскравість і контрастність
2. Можна задати будь-який розмір і пропорції.
3. Нормально працюють навіть за низьких температур
4. Ремонтопридатність
5. Зручне програмне забезпечення
6. Автономна робота (без ПК)

Але є й недоліки
1. Низька роздільна здатність
2. Висока ціна.


В огляді беруть участь:
1. Світлодіодні панелі 64х64 пікселі — 12 штук із доставкою обійшлися в 300 доларів (по 20.5 за панель + доставка)
2. Контролер HD-D10 (близько 30 доларів без урахування доставки)
3. Контролер HD-D30 (близько 40 доларів без урахування доставки)
4. Два блоки живлення 5 Вольт 40 Ампер, куплені офлайн, приблизно по 13 баксів.

Разом, без урахування матеріалів для корпусів, скла, датчика температури та інших дрібниць, — 400 доларів.

Спочатку замовив контролери, оскільки намагався виторгувати знижку в продавця панелей: сума замовлення була чималенькою.
Зрештою зі знижками нічого не вийшло, і приблизно за тиждень він відправив мені панелі. Але вони прийшли приблизно на тиждень раніше за контролери, доставка загалом тривала близько 10 днів.
Отримав дві доволі великі посилки, замотані так, що ними цілком можна грати у футбол або використовувати як подушку. На другому фото видно, скільки пакувального матеріалу пішло на все це.


Панелі замовили саме двома посилками через митні обмеження, але й усередині їх запакували по-різному. В одній посилці просто лежали 6 панелей, перекладених м’яким матеріалом, а в другій їх попарно запаяли в пластик і додатково захистили від пошкоджень прокладками.
Мабуть, ця різниця мене одразу трохи насторожила, і передчуття не підвело.


Загалом вийшла доволі значна стопка панелей із купою різних дротів.


Спершу про комплект постачання. У кожній посилці було 6 шлейфів для підключення інформаційних ліній і три кабелі живлення, а також невеличка купка пластикових деталей.
Разом маємо 12 шлейфів і 6 кабелів живлення.


1, 2. Кабелі живлення стандартні для таких панелей: з одного боку — два обтиснуті кінці для підключення до блока живлення, з іншого — два роз’єми для підключення до панелей.
3. Шлейфи завдовжки близько 10-12см, один виявився несправним. Добре, що залишився запас від попередніх панелей і не довелося їхати на ринок.
4. З першого пакета (де панелі були окремо) висипалася купа пластикових уламків. Більшість — це штифти, за якими панелі вирівнюють під час встановлення на раму. Вони стирчали й відламалися під час транспортування. Оскільки вони нам не були потрібні, ми просто забили на них.


Але, крім штифтів, у шлейфів були зламані ще й фіксатори кабелю. Це теж терпимо, хоча й менш приємно.
Ліворуч — нормальний шлейф, посередині — взагалі без фіксатора, праворуч — зі зламаним фіксатором.


А ось і панелька.
Але спершу варто пояснити, чим узагалі відрізняються панелі.

Форма
Як би банально це не звучало, найпоширеніші форми — прямокутник або квадрат. Причому часто прямокутник має такі розміри, що його довша сторона рівно вдвічі більша за коротшу, тобто по суті це два квадрати.


Про прямокутні панелі я розповідав у минулому огляді, а цього разу були придбані квадратні.


Розміри
Тут усе гранично просто: ключовий розмір, як не дивно, — товщина панелі, адже довжина й ширина визначаються роздільною здатністю та розміром пікселя.
Оскільки розмір пікселя у нас 3 мм, а роздільна здатність — 64х64, то виходить 64х3=192 мм. Панель квадратна, тому її розмір — 192х192 мм.


Яскравість
Іноді продавці вказують її «зі стелі», хоча вона має досить велике значення. Зовнішні панелі зазвичай яскравіші за внутрішні. Звісно, вони й споживають більше енергії.

Захист
Панелі бувають зовнішнього та внутрішнього виконання.
У зовнішніх панелей поверхню покривають захисним компаундом на кшталт силікону, який не пропускає вологу до контактів світлодіодів і плати.


Крім того, світлодіоди часто накривають зверху невеликим козирком, що захищає від сонця. Ці козирки видно в лівій частині фото, також я покажу їх на інших фото.


Але оскільки панель планувалося використовувати в приміщенні, та ще й у корпусі, вирішили купити «беззахисні» панелі, тим паче що вони зазвичай дешевші.


Тип світлодіодів
SMD або DIP.
У панелях великого розміру, особливо зовнішніх, іноді використовують світлодіоди звичайного виконання, з виводами.
Щоправда, такі світлодіоди мають певний недолік, про який рідко говорять. Подібні світлодіоди мають спереду лінзу, яка може фокусувати сонячне світло на кристалі світлодіода, випалюючи його. Тому, на мій погляд, безкорпусні моделі надійніші.
До речі, тут видно великі захисні козирки.


У нашому випадку панель зі світлодіодами SMD.


Перш ніж перейти до докладнішого опису панелей, розповім про інші особливості.

Піксель
Квадратний або прямокутний.
У цьому огляді бере участь панель із квадратними пікселями, а прямокутну я покажу окремо. Найчастіше це недорогі моделі з низькою роздільною здатністю. Вони більше підходять просто як рекламні вивіски.


Колір
Одноколірна, двоколірна, триколірна (RGB або повноколірна).
Крім того, бувають панелі з чотирма світлодіодами на піксель. Найчастіше використовують додатковий світлодіод червоного кольору, оскільки на червоний колір припадає основна частка споживаної потужності. Пізніше я це покажу.
Я спеціально підібрав фото зі звичайними світлодіодами, а не SMD: на мій погляд, так наочніше, адже якщо світлодіод SMD, то корпус у нього частіше один, спільний для всіх кольорів.
Одноколірні панелі використовують там, де потрібно яскраво, дешево й наочно. Повноколірні панелі добре підходять не лише для відображення фото, а й для відеостін.


Розмір пікселя
О, тут можна й голову зламати, адже вибір розмірів пікселя не просто великий, а гігантський.
Для квадратних пікселів це зазвичай Р37.5, P31.25, Р25, Р20, Р16, Р12.5, Р10, Р8, Р7.625, Р6.26, Р6, Р5.95, Р5, Р4.81, Р4, Р3.91, Р3, Р2.5, Р2, Р1.9, Р1.6 і навіть Р1.25.
Цифра після літери Р означає розмір пікселя в мм. Наприклад, Р4 має розмір 4х4 мм, але існує й подвійне маркування, наприклад Р10 Р16, що означає прямокутний піксель 10х16 мм.
Деякі з указаних розмірів трапляються рідше, інші — частіше. Найменший, який я бачив у продажу (хоча спеціально не шукав), — Р2 із пікселем 2х2 мм.
Для великих екранів обирають більші пікселі, для маленьких — відповідно, менші.
Під великими екранами я маю на увазі такі


Або навіть такі, у вигляді стелі.
Загалом розмір екрана фактично обмежений лише бюджетом. Ба більше, світлодіодні екрани можуть бути зовсім не пласкими, а мати будь-яку форму: сферичну, увігнуту чи хвилясту.


Найпоширеніші варіанти модулів.


Кількість пікселів.
По вертикалі зазвичай 8, 16, 24, 32, 64.
По горизонталі вибір більший: 16, 32, 64, 96, 128, 160, 192. Можливо, бувають і з більшою кількістю.

Частину інформації можна побачити в таблиці, а також нижче, під спойлером.




Режим сканування
Оскільки інформація оновлюється динамічно, є кілька режимів — 1/32, 1/16, 1/8, 1/4. Я стикався лише з варіантами 1/16 і 1/32.
Щодо цього пункту можу помилятися, але, наскільки я розумію, панелі з кількістю пікселів по вертикалі 64 організовані як дві по 32, тому мають сканування 1/32, але працюють не з усіма контролерами. Хоча я трохи забіг наперед.
Вище є таблиця, де, крім фотографій і зазначення роздільної здатності, наведено також інформацію про режим сканування. Тут важливий момент: ваш контролер має підтримувати такий самий режим, як і панель. Зазвичай прості моделі вміють працювати лише з 1/4, 1/8 і 1/16, а складніші — ще й з 1/32.

Конструкція самого модуля.
Найчастіше модуль є готовим виробом. Фактично це друкована плата, з одного боку якої розміщені світлодіоди, а з іншого — керувальна електроніка.
У деяких випадках пластмасова рамка може бути досить міцною, а у варіанті для зовнішнього використання — ще й мати додаткові ущільнювачі.


Але в деяких випадках роблять і алюмінієву раму, особливо якщо модулі великі: пластмаса такого просто не витримає.


У нашому випадку був, мабуть, найпростіший варіант: легка пластмасова рама з металевими гайками, за допомогою яких модулі кріпляться до спільної рами.


Для підключення живлення встановлено стандартний чотириконтактний роз'єм — саме такі стоять у багатьох типах матриць.


Оскільки в багатьох випадках панелі є прохідними, встановлено два роз'єми для підключення шини даних. Біля роз'ємів є позначки, що вказують напрямок сигналу і, відповідно, порядок підключення панелей.


Як і минулого разу, на платі розташовані мікросхеми керування, драйвери світлодіодів і зсувні регістри. Якщо не помиляюся, ті самі, тільки в більшій кількості.


Як і минулого разу, корпус панелей у перерізі не прямокутний, а більше схожий на трапецію. Це потрібно, щоб можна було стикувати панелі впритул або навіть із невеликим вигином, наприклад «обгортати» ними циліндричні поверхні. Щоправда, радіус буде досить великим.


Якщо з'єднати дві панелі, виглядатиме це приблизно так. Далі просто з'єднуємо потрібну кількість панелей у ряд і отримуємо необхідний розмір по горизонталі.
По вертикалі все ще простіше: наступний «рядок» просто підключається до наступного виходу контролера керування.
Але треба враховувати, що нарощувати кількість панелей (особливо в довжину) можна лише до певного значення. Далі доведеться або зупинитися, або знизити частоту оновлення інформації.


Як я вже писав, у замовленні було 12 панелей Р4 з роздільною здатністю 64х64 пікселі. Вони призначалися не для одного екрана, а для двох. Але якщо скласти їх усі разом, можна отримати екран розміром близько 600х800 мм (1 метр або 39 дюймів по діагоналі) і роздільною здатністю 256х192 пікселі.
Щоб зробити на базі таких панелей дисплей FullHD, доведеться використати 30х17=510 панелей, а екран матиме розміри 5.76х3.26 метра. Для прикладу: найбільша стіна в залі типової квартири має розміри 6х2.65м.


Звісно, габарити виходять великими, але існують панелі з малим кроком пікселів, які дають змогу виводити досить якісне зображення.


Панелі отримали першими, і для перевірки товариш приніс контролер Onbon bx-5ql, який використовувався минулого разу.
Спочатку я хотів перевіряти по одній, але товариш запропонував перевіряти по 4 штуки, щоб пришвидшити процес.
1. Зібрали конструктор із блока живлення, контролера та чотирьох панелей і взялися до перевірки.

Насамперед побачили, що контролер засвічує не всю панель, а лише другу й четверту чверті по горизонталі.
Звісно, цей контролер не призначений для таких панелей, тому я поставився до цього спокійно.

2,.3. Але коли вирішив зробити фото «на згадку», випадково помітив дивину. Ми перевіряли третю (останню) четвірку панелей, і до неї потрапили дві панелі з однієї посилки та дві — з іншої.
Різницю помітив товариш, а потім і я. Колір зображення відрізняється. Гаразд, вмикаємо просто одноколірний режим і бачимо, що переплутані два кольори — зелений і синій. Відкривши власний огляд і подивившись, у якому порядку контролер виводить кольори в тесті, ми з'ясували, які панелі працюють некоректно.
4. Про всяк випадок поміняли крайні панелі місцями — проблема підтвердилася: панелі з однієї посилки виводять кольори некоректно. причому червоний і білий виводяться правильно, що цілком зрозуміло.

Про все це я негайно написав продавцеві, на що отримав відповідь: який контролер використовувався?
Відповів, що Onbon bx-5ql.
У відповідь продавець сказав, що він використовує інший тип контролера.

Ну гаразд, інший то й інший, вирішили поки зачекати на нормальні контролери, а тоді вже вирішити, що робити. Можливо, проблема справді не в панелях.


Ліворуч панель, яка відображає кольори правильно, праворуч — із переплутаними зеленим і синім. На самому початку я писав, що частина панелей була запаяна в пластик, так от, це були нормальні панелі.
Крім того, панелі відрізняються ще й зовні — мають більше точок кріплення.


Також є деякі відмінності в трасуванні плати й елементній базі.


До речі, минулого разу, коли докуповували панелі до першого рядка, також надійшли панелі іншої версії, але тоді це не спричинило проблем.


Ще фото компонентів — про всяк випадок, раптом знадобиться.


Приблизно за тиждень надійшли контролери, але спочатку я трохи розповім про те, навіщо вони взагалі потрібні та які бувають.

Як уже зрозуміло з опису, на відміну від моніторів, самі по собі світлодіодні панелі нічого відображати не можуть, адже по суті це лише світлодіодні матриці без контролера.
Контролери бувають як відносно прості, з невеликим обсягом пам’яті, так і досить просунуті, хоча й залишаються лише розширеною версією простих.
Деякі контролери можуть паралельно виводити й звук.


Завантажувати програми керування можна не лише через COM-порт або USB-накопичувач, а й через Ethernet, WiFi і навіть GSM.


Як і в багатьох сучасних системах, підтримується також робота через «хмару».


Крім автономних контролерів, які можуть працювати самостійно, існують і такі, що підключаються до комп’ютера. У цьому разі в комп’ютер встановлюється спеціальна плата, на яку подається сигнал із монітора, а плата вже видає на виході сигнал керування контролером панелі.


У цьому разі схема керування має такий вигляд.


Є й узагалі «монстроподібні» варіанти, але навряд чи вони знадобляться звичайним користувачам.


Ви, мабуть, запитаєте, навіщо на деяких платах два роз’єми Ethernet. Під час створення великих екранів плати керування можна з’єднувати послідовно.
Але якщо в попередніх варіантах плати працювали асинхронно, оскільки керували лише одним екраном, то в цьому разі використовується синхронний режим роботи. Кожен контролер виводить свою ділянку зображення синхронно з іншими контролерами.


Контролери замовили в іншого продавця, їхали Новою поштою, до пакування жодних претензій. Кожен контролер упакований в окремий пакет із позначкою моделі контролера.


Увесь придбаний комплект складається з:
1. Контролер HD-D10 — посилання, ціна з урахуванням доставки — $33.96.
2. Контролер HD-D30, посилання, ціна з урахуванням доставки — $45.63.
3. До другого контролера додається хаб для підключення панелей.
4. Також було два компакт-диски з ПЗ, причому колір диска збігається з кольором наклейки на контролерах — дуже продумано.



Оскільки контролери належать до однієї серії, опис у них спільний. Узагалі існує ще варіант D20, але чомусь в опис він не потрапив — можливо, й на краще, щоб не збивати з пантелику.
Як видно, різниця не така вже й велика.


Якщо порівняти цей контролер із попереднім Onbon bx-5ql, одразу впадає в око розмір плати, а також можливість підключення до локальної мережі. Але насправді відмінностей набагато більше, і якщо ви спробували щось на кшталт D10-D30, не кажучи вже про просунутіші моделі серії С, а тим паче А, повертатися назад уже не захочеться. але про це згодом.


Для початку розглянемо молодшу версію плати — D10.



На торці плати розташований клемник живлення, а також роз’єм для підключення до локальної мережі та USB для флешнакопичувача.


З іншого боку плати — чотири роз’єми для підключення світлодіодних панелей. Оскільки роз’ємів чотири, цілком можна підключити чотири рядки, які можуть працювати синхронно.


Як і в інших моделях, на платі є місце для роз’ємів додаткових пристроїв, кнопка ввімкнення режиму тестування та батарейка для вбудованого годинника. Тут же розташовані два світлодіоди індикації режиму роботи.


1. У верхній частині плати є місце для роз’єму підключення модуля WiFi.
2. Унизу — місце для модуля GSM.
3. Біля роз’ємів для підключення панелей є світлодіод індикації роботи з панелями.
4. Для захисту живлення на вході встановлено самовідновний запобіжник.


Усім керує процесор із ієрогліфами в маркуванні. Наскільки я знаю, він побудований на ядрі Cortex ARM A9. Зверху приклеєний радіатор, але я його не знімав — частково тому, що потім треба буде приклеїти назад, частково тому, що особливого сенсу в цьому немає.
Під час роботи радіатор досить гарячий.


1. Крім того, на платі встановлена Altera Cyclone IV. Підозрюю, що саме вона виводить сигнал на панелі.
2. Радіатор на процесорі приклеєний цікаво — зі зміщенням, а не по центру. Причому на обох платах однаково.
3. Флешпам’ять від Мікрон. Обсяг, імовірно, 2 ГБ.
4. ОЗП обсягом 256 МБ.
5. Чип 2M x 16 Bit x 4 Banks Synchronous DRAM. Не зовсім зрозумів його призначення тут; припущу, що це окрема ОЗП для «Альтери».
6. Годинник реального часу — дивно, що він так далеко від батарейки.


1. Контролер Ethernet
2. Двонапрямні буфери для підключення шини даних панелей.
3. LT8619, HDMI/MHL Dual-mode Receiver
4, 5, 6. Перетворювачі живлення різних вузлів.


Друга плата на вигляд майже така сама, за винятком кількох дрібних відмінностей.



Причому знизу відмінностей, можна сказати, взагалі немає.


Роз’єми точно такі самі, навіть розташування ідентичне. Також ліворуч є місце для впаювання роз’єму антени WiFi.


Оскільки плати дуже схожі, далі я просто наведу порівняльні фото й опишу відмінності.
Насамперед відрізняється маркування, а також трохи — розташування деяких компонентів. Хоча спочатку здавалося, що все абсолютно ідентичне, навіть розміри плат.


Знизу відмінності ще менш помітні.


Найважливіша, мабуть, відмінність — наявність слота mPCI; на попередній платі для нього було лише місце.


Я спробував один зі своїх модулів WiFi, але він відмовився працювати. До того ж він явно не підходить за довжиною — його просто не вдасться закріпити.
SSD у цьому роз’ємі точно не працюватиме, зате за розміром він якраз підходить. Але знову ж таки, навіть якщо ви купите модуль WiFi відповідного розміру, найімовірніше, він не запрацює: підозрюю, що драйвери є лише для деяких моделей.
Якщо потрібен WiFi, купувати треба саме з ним.


Як і в попередній моделі, виведення сигналу на панелі керує Altera Cyclone 4.


А от виведення сигналу на панелі організовано дещо інакше: тут використано один спільний роз’єм, на який сигнал подається через ті самі буфери 74HC245.


Для підключення панелей потрібно використовувати хаб або розгалужувач — кому як зручніше. Під час вибору товару це відіграло свою роль, адже часто хаб не входить до комплекту й його треба докуповувати окремо. Тут хаб продається разом із контролером.


На платі хаба також є буферні підсилювачі 74HC245, тож це не просто перехідник із 50 контактів роз’єму на 4×16. До речі, вище на скриншоті з характеристиками плати є таблиця з призначенням контактів роз’єму.


Ось у чому точно мінус такої конструкції — це велика висота. Можна використати не пряме підключення, а шлейф, але його краще купувати разом із платою, адже офлайн не завжди можна знайти «тата», який обтискається на шлейфі. Як варіант, можна обтиснути роз’єм на 50 контактів, а плату хаба припаяти вже до шлейфа.


Наскільки мені відомо, переважна більшість панелей живиться напругою 5 В, як і контролери. Тому для проєкту купили блок живлення на 5 В, 40 А. Так, струми тут великі, нічого не вдієш.
Другий блок живлення купили після успішного випробування першого.
У нашому випадку блок живлення буде розташований окремо. За такого варіанта треба використовувати дроти великого перерізу й малої довжини. Альтернативний варіант — встановити всередині панелі перетворювач 12/24–5 В і живити всю конструкцію від блока живлення на 12 або 24 В.
Блок живлення вирішили винести назовні з двох причин: менше нагріватиметься панель і буде меншою товщина корпусу.


Оскільки в магазині дали річну гарантію на блок живлення, розбирати його я не став, оглядав крізь отвори в корпусі. І, чесно кажучи, побачене мені не дуже сподобалося. Ємність вихідних конденсаторів — 6600 мкФ (3×2200), дросель не дуже великий, а за навантаження понад 40–50% помітно дзвенить, що неабияк дратує. Та й загальна якість доволі сумна; компенсують це лише невисока ціна та наявність гарантії.
З відповідних варіантів на AliExpress можу порадити пару: перший, другий.


На цьому частина, присвячена «залізу», закінчена. У наступній частині я розповім про програмне забезпечення та продовження боротьби з «особливостями» перелічених вище панелей і контролерів.