LED Cube 5x5x5

19318-mal angesehen • Hochgeladen: 12.11.2009 &bull Autor: Tobias Gall • Bearbeiten

Abbildung 1: Drei 5x5x5 LED-Cubes

Einleitung

Als erstes ist die Frage zu klären: Was ist eine LED-Cube?

Eine LED-Cube (oder auch LED-Qube genannt) ist ein dreidimensionales Display, aufgebaut aus einzelnen Leuchtdioden. Auf der 3D-Matrix können dann beispielsweise Animationen, einzelne Figuren wie Buchstaben und Audiovisualisierungen ablaufen. Die Ansteuerung der LED-Cube übernimmt meist ein Mikrocontroller oder FPGA (Field Programmable Gate Array). LED-Cubes gibt es in den unterschiedlichsten Größen und Ausführungen. Bei der Planung muss besonders beachtet werden, dass die Anzahl der benötigten LEDs und damit der Aufwand in der dritten Potenz ansteigt. Die Verwendung von RGB-LEDs führt nochmals zu einer Verdreifachung des Aufwands (und meist auch der Bauteilkosten).

Gängige Größen: 3x3x3 = 27 LEDs, 5x5x5 = 125 LEDs, 8x8x8 = 512 LEDs...

In diesem Artikel wird auf die Funktionsweise, Software und Elektronik einer LED-Cube 5x5x5 eingegangen. Ich habe bei dem Projekt mitgewirkt und inzwischen ist daraus die Firma Qube Solutions UG (haftungsbeschränkt) entstanden, die 5x5x5 Cubes unter dem Namen LED-Qube 5 in Einzelteilen, als Bausatz und als Fertigprodukt vertreibt.

Alle Bau- und Bedienungsanleitungen, Softwarekomponenten und einige Figuren-Sets stehen kostenlos unter http://www.qube-solutions.de/qube-5/downloads zum Download bereit.

Die Bauanleitung LED-Qube 5 - Kubus beschreibt ausführlich und mit vielen Bildern den Aufbau der LED-Matrix. Die erläuterten Vorgehensweisen können für LED-Cubes im Allgemeinen angewendet werden.

Funktionsweise

125 Leuchtdioden ansteuern, also 125 I/O-Ports? Nein, das geht wesentlich einfacher!

Der Kubus besteht aus fünf Ebenen, mit jeweils 25 Leuchtdioden. Die Kathoden (-), der LEDs einer Ebene, werden miteinander verbunden. Die Anode (+) einer LED wird hingegen immer mit der LED, welche eine Ebene tiefer liegt, verbunden. Dieser Anodenstrang endet schließlich auf der Platine.
Diese Zusammenfassung führt nun dazu, dass nur noch 25 Anodenleitungen und 5 Masseleitungen beschaltet werden müssen.

Die Reduzierung führt allerdings zu einem erhöhten Softwareaufwand für den Mikrocontroller.
Es wird immer nur genau eine der fünf Masseleitungen durchgeschaltet, die andern vier hängen sozusagen in der Luft. Werden nun die 25 Anodendrähte entweder an- oder ausgeschaltet, so entsteht, auf der mit Masse verbundenen Ebene, ein Muster. Führt man dieses Prinzip für alle fünf Ebenen weiter und schält die Ebenen schnell genug durch (ca. 300 Hz), so entsteht, für das menschliche Auge ein stehendes Bild auf dem gesamten Kubus. Wer eine LED-Qube 5 in Betrieb sieht, kann sich kaum vorstellen, dass eigentlich immer nur eine Ebene leuchtet.

Das Verfahren wird als Zeit-Multiplexing bezeichnet und kommt bei vielen elektronischen Schaltungen zum Einsatz.

Doch 30 I/O-Ports sind bei den meisten Mikrocontrollern trotz Allem nicht vorhanden. Weiteres dazu im Kapitel Elektronik...


Die Übertragung von Figuren und Animationen vom Computer auf die Qube wird über die serielle Schnittstelle bewerkstelligt. Da heute viele Notebooks und PCs nicht mehr über eine solche Schnittstelle verfügen, kann selbstverständlich ein seriell-zu-USB Adapterkabel verwendet werden. Der Treiber des Kabels erzeugt auf dem Computer einen virtuellen COM-Port.

Elektronik

Die LED-Qube 5 ist auf zwei Platinen aufgeteilt. Die eine Platine (Hauptplatine) enthält alle elektronischen Bauteile, mit der anderen wird der Kubus verlötet. Die Verbindung der Leiterplatten wird über einen 30-poligen Steckverbinder hergestellt.

Die Hauptplatine verfügt über folgende Bauteile / Baugruppen:

--> 8-bit Mikrocontroller der Firma Atmel im DIP40 Gehäuse, mit Beschaltung
--> Festspannungsregler für 5VDC
--> Leistungstransistoren für die fünf Ebenen
--> Pegelwandler für die serielle Schnittstelle (MAX232)
--> Status-LED
--> Vorwiderstände für die Leuchtdioden
--> Fünf D-FlipFlops

Die D-FlipFlops lösen das Problem, dass keine 30 I/O-Pins am Mikrocontroller vorhanden sind. Sie werden in einem Bruchteil der Multiplexing-Zeit mit jeweils fünf Werten beschrieben (5x5 = 25). Ihre Ausgänge sind direkt mit den Leuchtioden verbunden. Es werden also nur fünf I/O-Pins für die 25 Anodenleitungen benötigt. Raffiniert oder?


Software

Mikrocontroller:

Der Mikrocontroller ist die zentrale Steuereinheit der LED-Qube 5. Er ist zuständig für den Datenaustausch mit dem Computer, sorgt für die korrekte Anzeige der einzelnen Figuren und dient zusätzlich als deren Speicherplatz. In den 32kB Flash-Speicher finden, außer der Firmware noch bis zu 1000 einzelne Figuren Platz. Der Zugriff auf den Flash-Speicher erfolgt über einen Bootloader.

Die Firmware kann mit einem passenden Programmiergerät per ISP-Stecker (In System Programming) auf den Prozessor übertragen werden.

Computer:

Zur komfortablen Erstellung und Übertragung von Figuren und Animations-Sets gibt es den Qube 5 Editor (siehe Abbildung 2).


Abbildung 2: Qube 5 Editor

Der Editor bietet momentan folgende Funktionalitäten:

--> Verwaltung von bis zu 1000 Figuren (Einfügen, Klonen, Verschieben, Löschen von Figuren)
--> Setzen der Zustände für jede einzelne LED bei jeder einzelnen Figur
--> Variable Anzeigezeiten für jede einzelne Figur einstellbar
--> 3D-Modell-Ansicht der Qube 5, drehbar in jede Richtung (OpenGL)
--> Selektieren und Löschen ganzer Ebenen (Reihen, Spalten, Ebenen)
--> Random-Funktion zum setzen zufälliger Zustände
--> Listenvorschau des erzeugten Figuren-Sets
--> Speichern und Laden ganzer Figuren-Sets
--> Anhängen von Teil-Sets zur schnelleren Erzeugung neuer Sets.

Der Qube Editor wurde in C++ programmiert unter der Verwendung von QT 4.5, einem mächtigen Cross-Platform Framework. Das Framework kann kostenlos heruntergeladen werden unter http://qt.nokia.com/downloads. (QT SDK for Windows)
Der Source-Code des Qube5-Editors ist unter der GPLv3 veröffentlicht, und kann unter folgendem Link kostenlos heruntergeladen werden http://www.qube-solutions.de/qube-5/downloads
Die Anwendung wurde unter Windows XP, SP2 programmiert und unter Windows XP, Vista und 7 getestet. Er sollte sich aber (Dank der Verwendung von QT) ohne große Probleme auch auf Linux oder MAC-Systeme portieren lassen. Wer vor hat dies zu tun, ist herzlich eingeladen.


Ein Winamp-Plugin erweitert die Anzeigemöglichkeiten zusätzlich. Es stellt die Verbindung zur LED-Qube 5 her und visualisiert, abhängig vom Pegel, die momentan abgespielte Musik. Hierfür stehen drei unterschiedliche Darstellungsformen zur Verfügung. Auch das Plugin ist entweder als fertig kompilierte .dll-File oder als Source-Code unter der oben genannten Adresse zu beziehen.

Das folgende Video zeigt besonders eindrucksvoll, wie das Plugin arbeitet.

Video und weitere Bilder

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