【S4A韌體】修改S4A控制矩陣LED做法說明

【緣起】

之前在電子材料行買東西時，不經意看到店家有進貨8X8矩陣LED的模組(含MAX7219驅動IC)，順手就買了下來。

由於此模組採SPI介面傳輸，有找到LedControl Library可以使用，但是要用Arduino程式語言來寫，所以就與S4A無緣了。稍微測試了一下，發現還挺有趣的，與生活中的跑馬燈、電視牆及紅綠燈的小綠人都有相關，如果能讓中小學生用S4A來操作，在學習上的效果應該會很不錯。於是便有了以下的嘗試…


【修改構想】

首先要提到S4A的限制，其中之一是內定腳位，腳位的功能被定住，不像在Arduino程式語言中那麼自由；另一個是不支援library，不能用I2C、SPI或與時脈有關的控制，只能用標準的數位IO及類比IO，特殊的功能，S4A內定的就是支援伺服馬達與連續伺服馬達而已。

怎麼辦呢？先來思考一下Arduino的IO架構。

其架構有二層，上層是Arduino韌體(可支援library)
，下層是Arduino板子上的Atmega處理器。

那S4A的架構又是如何呢？

S4A有三層架構，上層是S4A軟體(PC端)，中層是S4A韌體，下層是Atmega處理器。其實S4A韌體與Arduino韌體是屬於同一層次的東西，Arduino韌體可以支援library，難道S4A韌體就不行嗎？於是這樣的想法就產生了修改後S4A韌體的架構圖，如下圖：

在中層S4A韌體中加入library支援，並且將數位及類比的輸出做了攔截，讓輸出不直接控制針腳，改成是去控制library，如此就可增加S4A的功能。

還有一個問題，就是S4A內定接腳的問題，此問題已有范運平老師與江昭漢老師在實作中提供解決方法，讓S4A的積木能與修改後的韌體相配合。感謝老師們的努力與分享，讓我能在此基礎上，將這部分順利的解決。

那在S4A中要如何控制8X8矩陣LED，在LedControl的library中，有個method是setColumn，可以一次控制一排LED(8個)，只要給它一個Byte的資料即可(相當於8個bit，用bit來代表LED的亮暗)，所以打算用S4A的類比輸出來控制一排LED，只要8個類比輸出，就可以控制8X8矩陣LED。再此可能有人會有疑惑，Arduino UNO上的類比輸出不是最多只有6個嗎？別忘了，在修改的S4A韌體中，輸出會導向library，並不會真正去控制針腳，所以讓S4A以為有8個類比輸出是OK的。另外為了怕混淆，會將S4A中的analog積木改名為ledMatrix積木，以方便辦別。

接下來就是實際的修改部分了。


【S4A韌體修改】

以下S4A韌體為1.5版

在S4A韌體開頭有修改的部份如下：
-----------------------------------------------------

#include "LedControl.h"
LedControl lc=LedControl(12,11,10,1);

-----------------------------------------------------
一開始是引入library，並產生一個控制物件lc

再來是韌體中輸出腳位的類型變更：
--------------------------------------------

 outputs[0] = 'a'; //pin 4
 outputs[1] = 'a'; //pin 5
 outputs[2] = 'a'; //pin 6
 outputs[3] = 'a'; //pin 7
 outputs[4] = 'a'; //pin 8
 outputs[5] = 'a'; //pin 9
 outputs[6] = 'a'; //pin 10
 outputs[7] = 'a'; //pin 11
 outputs[8] = 'd'; //pin 12
 outputs[9] = 'd'; //pin 13

--------------------------------------------
讓S4A中4~11都變成類比輸出。

最後是攔截輸出的部分：
----------------------------------------------------------------------------------------

void updateActuator(int pinNumber)
{
//add  

  if (outputs[pinNumber] == 'a'){
    switch( pinNumber + 4 ){
      case  4 :
        lc.setColumn(0, 0, states[pinNumber]);
        break;
      case  5 :
        lc.setColumn(0, 1, states[pinNumber]);
        break;      
      case  6 :
        lc.setColumn(0, 2, states[pinNumber]);
        break;      
      case  7 :
        lc.setColumn(0, 3, states[pinNumber]);
        break;      
      case  8 :
        lc.setColumn(0, 4, states[pinNumber]);
        break;
      case  9 :
        lc.setColumn(0, 5, states[pinNumber]);
        break;
      case  10 :
        lc.setColumn(0, 6, states[pinNumber]);
        break;
      case  11:
        lc.setColumn(0, 7, states[pinNumber]);
        break;
              
    }
  }

}

----------------------------------------------------------------------------------------

所有的4~11類比輸出都被導向library的控制。(當然，原本的輸出功能也消失了)

這樣S4A的韌體的修改算告一段落。

修改的S4A韌體可在此下載(已內含LedControl library)


【S4A介面修改】

S4A介面的修改可參考范運平老師的文件

大致上的步驟是將類比積木的pinNumber擴充為4~11，如下圖

伺服馬達與連續伺服馬達的積木拿掉

還有就是將analog積木改名稱為ledMatrix，如下

改好的S4A介面要另存成一個image，有2個image會讓S4A開啟時要選擇一下
，但是這樣就可以保留原本的S4A介面了。


到此S4A介面修改完成。

修改後的S4A介面image可於此下載(約7Mb)

【使用方式、接線與應用】

    內容較多，請見另一篇文章 【S4A小專案】矩陣LED小動畫(需用修改後韌體)


【結語】

雖然針對Scratch2.0 for Arduino的解決方案慢慢的在開發中，但是原本的S4A還算穩定，且應該還會再存在一陣子，本文將原本S4A的功能嘗試加入library的支援，雖然在實際使用上會增加複雜度(韌體安裝與S4A介面image安裝)，但是卻也增加了S4A的可能想像空間，試想一些原本只能用library才能控制或是取得偵測值的硬體，如I2C、超音波模組、溫溼度偵測…也許都有機會能以S4A控制。當然，還是得實際試做看看效果如何，並要相容於S4A的架構才行。

【延伸閱讀】

Controlling a Led matrix or 7-segment displays with the MAX7219 or the MAX7221

LedControl

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