一文搞懂HUB75接口（附帶LED單元板驅(qū)動介紹）

導讀：HUB75接口是一種常用的LED單元板驅(qū)動接口，本文就常見的HUB75接口知識點進行整理。

一、HUB75 接口介紹

上圖中有 A/B/C/D 4根地址線，所以是16掃（ 2 4 = 16 2^4=16 24=16）

上圖所示HUB75接口，有兩個RGB通道，共占用6個IO（R1/R2/G1/G2/B1/B2）。剩下的 A/B/C/D/E 為地址通道，LAT為行數(shù)據(jù)鎖存通道，CLK為數(shù)據(jù)時鐘，OE為低電平使能LED顯示。圖片這里沒有E，證明它是16掃的，有E就會把B上面的地改為E，如下圖所示。這樣就是5位，2的5次方32掃。16掃控制16行顯示（16行中顯示一行），共2個RGB通道所以16掃可以控制 16*2=32行 顯示（32行同時顯示2行，比如第1行和第16行…第15行和第31行，所以是2/32掃，即1/16掃）。

（1）單元板的顯示為單位時間內(nèi)顯示一行數(shù)據(jù)，然后短時間內(nèi)切換到另一行顯示，16掃，即一個顯示周期為切換16次。

（2）兩個RGB通道分別控制上下兩部分的RGB燈。舉例 32*16 的LED燈屏，需要4個地址ABCD，假設(shè)ABCD，4個IO為高電平意味著選定第15行跟第31行，R1/G1/B1通道數(shù)據(jù)被寫到第15行，R2/G2/B2數(shù)據(jù)被寫到第31行。

（3）【？？？】數(shù)據(jù)的寫入順序：失能LED顯示，寫入一行數(shù)據(jù)，選定行，鎖存，使能LED顯示。

（4）全彩顯示：顏色漸變。方法是同一行掃描32次，假設(shè)R1我只顯示一次，那它占空比就是1/32，顯示次數(shù)越多越來亮。

上圖中有 A/B/C/D/E 5根地址線，所以是32掃（ 2 5 = 32 2^5=32 25=32）

二、一款 8x8 LED 單元板介紹（2R1G）

單元板外觀：

注：LED單元板上通常沒有存儲，所以需要FPGA快速刷新以顯示圖像！

單元板HUB75接口：

單元板點亮順序：

單個單元板，一共8行，可同時點亮2行，故為1/4掃。

控制時序：

三、一款 64x64 LED 單元板介紹（RGB）

單元板外觀：

單元板HUB75接口：

它具有2個R/G/B數(shù)據(jù)輸入引腳，5個地址引腳和3個控制引腳（時鐘，鎖存器和使能）。故仍然還是32掃，通過同時控制兩行的方式實現(xiàn)64行控制，即2/64=1/32掃。

【？？？】控制時序：（以上半部分32行為例，下半部分自動匹配上半部分選中的行）

1.使用5個地址字節(jié)選擇要顯示的行，從32行中選擇1行。

2.通過將Blank管腳設(shè)為高電平來關(guān)閉顯示器，這可以防止故障。【或者說消隱！】

3.使用Clock引腳和RGB引腳進行選中的行數(shù)據(jù)輸入。

4.將鎖存器引腳切換為高->低以將數(shù)據(jù)加載到選中的行。

5.通過將Blank引腳拉低來打開顯示器。

注：其中的Blank，代表輸出使能 OE 引腳！

有2個R，G和B引腳。如果選擇地址0，則R0/G0/B0將數(shù)據(jù)寫入第0行，而R1/G1/B1將數(shù)據(jù)寫入第32行；選擇地址1，則R0/G0/B0將數(shù)據(jù)寫入第1行，而R1/G1/B1將數(shù)據(jù)寫入第33行。要顯示圖像，你需要寫一行，稍等一下才能顯示它，再寫下一行，依此類推。為了獲得圖像，需要以60Hz的頻率寫入和顯示64行，或者為了獲得不錯的幀速率，可以更快提高頻率。但遺憾的是，以這種方式寫線時，LED會熄滅或亮起。使用RGB，僅可以顯示8種不同的顏色，而不完全是漂亮的圖像。

全彩顯示

獲得更多顏色意味著對顯示進行PWM。進行此顯示的PWM的唯一方法是在轉(zhuǎn)到下一行之前多次寫一行：

1、將數(shù)據(jù)移至如上所述的選中行

2、等待一位的時間

3、在同一行中移動下一個值

4、等待一位的時間

5、重復此N次，對于4位PWM為16次，對于8位PWM為256次。

6、移至下一行

一種簡化方法是將二進制編碼調(diào)制（BCM）與BCM一起使用，過程如下：

1、將數(shù)據(jù)移至選中行

2、等待x時間

3、在同一行中移動下一個值

4、等待x * 2時間

3、在同一行中移動下一個值

5、等待x * 4次。

6、重復N次，對于4位PWM重復4次，對于8位PWM重復8次。

7、移至下一行

驅(qū)動矩陣

FPGA代碼可能非常簡單，從幀緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絉GB矩陣。

為了簡化顯示，以發(fā)送格式來組織幀緩沖存儲器。我沒有將數(shù)據(jù)存儲為RGB值，而是將它們拆分為64位行數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)發(fā)送器塊只需要讀取數(shù)據(jù)，將其移出時鐘并等待所需的時間即可。

這是用于4位的BCM，但是用于8位的圖像會有點大。這樣，F(xiàn)PGA代碼的傳輸就是一個簡單的狀態(tài)機。首先，它獲取數(shù)據(jù)。其次，它發(fā)送它并等待正確的時間，然后才能發(fā)送下一行。

LED單元板驅(qū)動原理

LED 單元板就是大量單色或三色 LED 的點陣，掃描式驅(qū)動，一般是行線共陰、單列單色 LED 共陽，采用專用芯片進行恒流驅(qū)動。所謂掃描式驅(qū)動，就是每一列的數(shù)據(jù)線共享、單元板的同一時刻只有一行被選中并點亮，通過快速的掃描加上人眼視覺暫留來實現(xiàn)整屏顯示。有些做的比較好的單元板提供內(nèi)置的余暉、消隱功能，在掃描其他行時之前點亮的行仍會繼續(xù)點亮、重新掃描當前行時會強制熄滅不應(yīng)點亮的像素，以降低屏幕的閃爍、提升畫面的顯示效果。

所以不難理解，單元板的驅(qū)動過程就基本是兩個階段：

1、選擇當前掃描的行

2、點亮當前行的數(shù)據(jù)

什么是 “32 掃”？行選擇階段

如果你學過計算機組成原理之類的課程，你應(yīng)該聽說過存儲器的地址線。HUB75 的行選擇信號與存儲器的地址線運作方式相同，使用多條地址線，用高低電平組合出二進制的各位數(shù)字，然后通過譯碼器將 n 條地址線的組合信號變?yōu)?2^n 選 1 的行選擇信號。HUB75 接口的多種變體基本上就是從這里派生。一般情況 HUB75 的插座使用 16P 簡易牛角座，下面是接口示意圖：

注意 9、10、11 三個引腳，名稱分別為 A、B、C，這三根線就是 3 位地址線的 A0、A1、A2 三位，單元板的內(nèi)部實現(xiàn)中，會使用一個 3-8 譯碼器將這 3 根輸入地址線高低電平的二進制組合轉(zhuǎn)化為 8 根輸出片選線中其中一根的選中狀態(tài)。例如當這四位的電平值分別為 H、L、L 時，代表了當前行地址為 001b，所以 1 號地址線（即代表第二行）為選中狀態(tài)，其他為非選中狀態(tài)。由于廠商具體內(nèi)部設(shè)計的差異，行選擇激活狀態(tài)可能為高電平，也可能為低電平，所以這里不能確定具體電平的高低，只能確定哪條線處于激活狀態(tài)。由于同一時刻 8 條行選擇中只有一條被激活，即同一時刻有 1/8 的行正在被點亮，所以這種掃描方式被稱作 1/8 掃描，行業(yè)簡稱“8 掃”。

變體由此產(chǎn)生。有些單元板的行數(shù)不足 8 行，不需要如此多的地址線，所以會把不需要的地址線空置或接地，比如 1/4 掃描的單元板會將 11 號 C 引腳空置，僅使用 2 條地址線。1/32 掃描的單元板會將 12 號、6 號引腳作為 D、E 信號即行地址二進制的第四、五位，使用 5-32 譯碼器來提供 32 條行地址線來進行更大范圍的掃描，此時形成了 HUB75 最常用的變體——HUB75E。

那為什么 32 掃的接口可以驅(qū)動 64 行的單元板？

這里會有同學疑惑，市場上也有很大一部分單元有 64 行，但卻使用的 HUB75E 接口，怎樣實現(xiàn)使用 5 條地址線完成 64 行（地址二進制有 6 位）的掃描呢？如果單元板提供了說明，你會發(fā)現(xiàn)此時單元板仍然是 1/32 掃描，上面說 32 行同時點亮 1 行，那么如果是 64 行，就是同時點亮 2 行。沒錯，這就是幾乎所有使用 HUB75 接口的單元板，有 n 行像素、使用 n/2 掃方式驅(qū)動的原因——單元板被分成了上下兩部分，行選擇信號會同時選擇上下兩部分中的各一行，通過兩路信號同時點亮兩行，這樣就實現(xiàn)了更少的地址線以及更高的掃描頻率。減少地址線、增加數(shù)據(jù)線，學過計算機組成原理的同學們想起來了沒？

行內(nèi)數(shù)據(jù)如何傳入？行數(shù)據(jù)傳輸階段

簡單點說就是，串入并出加鎖存。同學們一定聽說過赫赫有名的移位寄存器——74595，沒錯，這東西塞滿了整塊單元板。觀察 HUB75 接口的 13、14、15 三個引腳，分別為串行數(shù)據(jù)時鐘、鎖存時鐘、輸出使能三個引腳，功能上完全對應(yīng) 74595 的三個對應(yīng)引腳。而它的串行數(shù)據(jù)輸入有 6 根，即 1、2、3、5、6、7 這 6 個，分別代表上下兩半部分的 R、G、B 像素信號。這 6 根數(shù)據(jù)線共用相同的時鐘線，并行傳輸行內(nèi)的像素數(shù)據(jù)。

【？？？】任意行被選擇后，當 14（鎖存）引腳拉高，數(shù)據(jù)開始進行傳輸，13（數(shù)據(jù)時鐘線）為低電平時 6 根數(shù)據(jù)線并行輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就緒后數(shù)據(jù)時鐘拉高觸發(fā)寄存器移位，然后數(shù)據(jù)時鐘拉低觸發(fā)寄存器完成歷史數(shù)據(jù)的輸出，同時數(shù)據(jù)線準備下一位的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)移位輸入完成后拉高鎖存時鐘，完成整行數(shù)據(jù)傳輸。對于有些提供余暉、消隱功能的單元板，需要根據(jù)要求給15（低電平輸出使能）一個適當寬度的高電平信號來觸發(fā)消隱和余暉。這樣快速反復的行選擇、數(shù)據(jù)傳輸過程，就完成了每一行的掃描與顯示。

多塊單元板如何連接？

每塊單元板都提供了兩個接口，一個輸入一個輸出。多塊單元板之間就是串聯(lián)關(guān)系，上一塊板子的輸出對應(yīng)連接在下一塊板的輸入即可。這樣一連串單元板的時鐘信號共用、數(shù)據(jù)信號串接，調(diào)整每行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，即可實現(xiàn)對不同數(shù)量單元板的驅(qū)動過程。

如何實現(xiàn)全彩？

每個像素的每個單色子像素只有兩種狀態(tài)——點亮和熄滅，那么可以通過 PWM 或 BCM 調(diào)制來實現(xiàn)子像素的灰階。可以通過把一行重復掃描 n 次、點亮 m 次實現(xiàn) m/n 亮度的灰階，也可以把每一幀圖像重復掃描 n 場，m/n 灰階的子像素選擇其中 m 場點亮來實現(xiàn)。兩種方式各有優(yōu)劣，需要根據(jù)單元板的實現(xiàn)原理、程序編寫難度等來選擇不同的全彩實現(xiàn)方式。

能否簡化連線？

我們注意到 HUB75 實際是由一組組合邏輯的并行傳輸行信號和一組 6 路時序邏輯的像素數(shù)據(jù)信號（可認為是并行 SPI）組成的。通過將 6 路 SPI 數(shù)據(jù)線輸入輸出首尾串接，可以將 6 路并行 SPI 變?yōu)?1 路串行 SPI，同時再通過一片 74595 可以實現(xiàn)行信號的并行輸出。使用一個非門制作一個 1-2 譯碼器，實現(xiàn)行選擇串行數(shù)據(jù)、行數(shù)據(jù)串行數(shù)據(jù)的選擇，配合適當?shù)臄?shù)據(jù)信號，就可以實現(xiàn)僅通過 3 根數(shù)據(jù)線（功能選擇、數(shù)據(jù)、時鐘）實現(xiàn)整組單元板的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省引腳有利于使用更小型的單片機進行顯示。當然這樣會大大受制于 SPI 頻率而降低單元板的刷新頻率，孰輕孰重視具體情況具體選擇。

開頭提到的大坑是什么？

因為 HUB75 接口標準缺乏明確規(guī)范，導致一些廠商并沒有完全按照上面的格式傳輸數(shù)據(jù)。就拿我買到的第一塊單元板為例，雖然號稱 1/32 掃的 HUB75，但它的行選擇信號并不是標準的5位地址線，而是將每半場的 32 條行選擇線接入了一個串入并出移位寄存器，使用 ABC 三條信號線作為移位寄存器的數(shù)據(jù)、時鐘、鎖存信號，相當于直接把上面的簡化版行選擇直接集成進了單元板，這直接導致了我找到的所有關(guān)于 HUB75 的資料全都跑不通。最后我根據(jù)芯片型號找到手冊、用萬用表一個一個焊點試驗摸出走線才把這塊單元板的驅(qū)動原理摸通。詢問賣家有沒有資料，賣家只說不兼容市面上的控制器（所有賣家都這么說，不知道是不是為了讓你買他們家的控制器），完全不提供任何技術(shù)支持，這個就是最大的坑——單元板拿到手之前，你永遠不知道它到底該怎么用。

參考

Driving a 64*64 RGB LED panel with an FPGA.

LED dimming using Binary Code Modulation

關(guān)于LED點陣屏單元板的通信接口——HUB75

LED單元板驅(qū)動(HUB75接口)

rpi-rgb-led-matrix

64x128 LED Matrix with HUB75 (not HUB75E) interface not working

Everything You Didn’t Want to Know About RGB Matrix Panels

FPGA

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