Wirless LED Control - 嘉立创EDA开源硬件平台

模块化LED显示系统

1、总体技术指标

1. 总体上采用“一主多从”的结构，至少支持256个从机；
2. 主机根据需求，发送指令控制从机进行显示；
3. 每个从机可根据主机的执行显示功能，每个从机可单独控制；
4. 每个从机可显示3种基础色，以及三种基础色的任意组合；
5. 单个从机尺寸直径为38mm（含乒乓球壳）；
6. 主机从机控制距离不低于5米。

2、系统框图

总体方案由主机和从机两部分组成，主机与从机之间采用2.4G通讯，由主机进行定期广播含有地址地址和显示命令的信息，从机持续监听，当收到与自身地址匹配的显示命令，则根据命令执行相应的显示功能。

3、总体进度情况

已完成1主机5从机通讯和控制测试，地址匹配性，控制命令执行正确，显示功能良好。

2022.7.1 完成布置示意图及从机150套生产下单，完成主机PCB下单，准备自己焊接主机。

2022.7.31 完成主机从机程序调试和匹配，主机可对从机进行控制（见视频），但从机数量多，有时候存在抢信道和数据错误的问题，正在研究解决方法。

2022.8.1 求婚成功啦（虽然还存在一些问题）。

2022.9.5 针对从机数量多抢信道和数据错误的问题（2022.8.5），开发了信道和地址同步算法（从机静态同步、主机动态同步），解决了抢信道的问题。可实现任一从机的颜色控制。

4、项目难点：

1. 多从机的协调控制，图形化设计；
2. 多从机可靠通信；
3. 在乒乓球大小空间内实现从机的功能；
4. 从机调光、控制、比较的中断优先级控制。

5、主要亮点：

1. 可实现任一图案字母布置，不受接线影响；
2. 巧妙通过乒乓球雾化效果，提升从机显示效果；
3. 巧妙布局布线实现内置于乒乓球大小的空间；
4. 通过信道和地址同步算法，实现了主从机通讯的可靠性；
5. 体现出电子工程师的浪漫情怀。

6、硬件部分

6.1 主要硬件选型

1. 主机控制器：考虑到主机需要进行图片显示，使用资源较多的STC8H3K64S4（C2901852，8.23元）单片机；
2. 从机控制器：考虑到低成本和资源需求不高，使用STC8H1K16（C914617，￥3.23）单片机；
3. 2.4G通讯模块（主机从机通用）：星火计划要求物料从立创商城选，因此选择了泽耀科技的AS01-ML01S（C84802，￥16.72），其实泽耀的GS01-S（￥4.98，量大可从优）；
4. 主机屏幕：选用了圆形屏幕，美观时尚，某宝买的，晶美达1.28寸（￥32）；
5. 主机触摸按键控制器：Sam&wing(芯网)的AM01B_W（C723855，￥0.66）；
6. 电源开关（主机从机通用）：为了控制主机和从机的电源通断，选用SHOU HAN(首韩)的SK12D07VG3两档卧式波动开关（C431547，￥0.11）；
7. 拨码开关（主机从机通用）：选用8位1.27mm的DSHP08TSGET（C40738，￥3.96），用于设置显示方案、模式等，可省略；
8. 从机显示器件：考虑到三种基础颜色和组合颜色的显示，采用XINGLIGHT(成兴光)的XL-5050RGBC三色LED（C2843868，￥0.19）三种颜色可独立控制;
9. 电池：放弃使用纽扣电池，采用某宝购买的502030锂电池，单价￥2。

主要器件如下图所示。

6.2 成本分析

本项目中主机就1个，对于成本不敏感，从机数量多，主要贡献项目成本。

根据从机目前的主要器件选型，元器件成本在13元/个左右，某宝购买的3.7V 502030锂电池单价￥2，假设考虑批量化情况下PCB及SMT的成本单价为￥5；

那么从机的除外壳结构件外，成本单价有望控制在￥20左右；考虑到本项目对标某宝大量泛滥的电子蜡烛价格在16-25元左右，

本项目在技术和显示效果领先的情况下，价格上也有较好的竞争性。

6.3 原理图设计说明

原理图分为主机原理图“Master”和从机原理图“Slave_In_Ball”；主机考虑到需要进行图形显示，使用资源较多的STC8H3K64S4单片机，同时设置3个触摸按键和拨码，用于进行模式设置和显示方案设置。从机使用STC8H1即可，采用1颗三色集成灯珠，用3个IO控制，可形成任意组合色，用拨码开关定义从机地址。主机从机之间采用SPI接口控制2.4G通讯模块进行通讯。需要注意的有如下几点：

1. 从机原理图设计时，需要将2.4G模块的IRQ输出，连接至单片机的CMP功能引脚，从而保证命令接收的高优先级；
2. 从机8拨码开关连接至单片机P1口的8个引脚，便于进行地址采样和匹配；
3. 主机触摸按键需要自行绘制原理图库和PCB库，按键区域形状可根据需求进行修改，目前采用的是原型触摸区域。

6.4 PCB设计说明

由于需要将从机放到乒乓球里面，因此从机经过多次调整布局布线，实现了在直径36mm的空间内完成所有器件布局布线，且预留的锂电池的安装位置。主机的布局布线主要合理美观，对空间没有严苛要求。

7 软件方案

7.1 软件关键点

软件设计中主要有以下关键点：

1. 主机软件中向从机发送命令时，采用信道和地址同步算法（从机静态同步、主机动态同步），解决从机之间抢信道的问题；
2. 主机触摸按键采用IO口中断进行采集，避免漏采；
3. 从机将2.4G模块设置中断输出，使用单片机的CMP中断接收2.4G模块输出的中断信号，并保证高优先级；
4. 从机驱动LED的IO，采用PWM输出，结合定时器可实现呼吸灯的效果，对于固定颜色显示的情况，也可降低功耗；
5. 从机的信道设置应与地址进行匹配。

7.2 主机软件流程图

主机软件流程如下图所示，主机软件在完成初始化和图片显示后，持续等待按键中断，根据按键中断设置的显示方案码，进行匹配，当匹配到预设的方案码后，向从机发送显示命令。向从机发送命令时，将从机代码和信道动态绑定，采用信道和地址同步算法（从机静态同步、主机动态同步），从而达到解决从机之间抢信道的问题。

7.3 从机软件流程图

从机软件流程如下图所示，从机软件在完成初始化后，持续等待2.4G模块的中断信号，接收到中断后，读取主机发来的，命令码，根据命令码控制LED进行显示，完成显示后持续等待下一次2.4G模块的中断信号，根据新命令更新显示状态。

8 实物展示说明

主机实物如下图所示。

从机实物如下图所示。

9 注意事项

电池部分考虑到电量、可复用性和安全性，未使用纽扣电池；使用的是502030 3.7V锂电池，充好电可以用挺久，而且可以反复使用。

10 演示视频

见视频部分。

11 其它附件上传

见附件部分。