用树莓派做一个木制 LED 游戏显示器

本期再介绍一个基于 WS2812 的点阵显示屏项目。具有 20x10 像素单元，78x35 厘米的尺寸，刚好可以用来玩俄罗斯方块等复古游戏。
屏幕采用木质贴面，当 LED 关闭时，木贴面可以完全隐藏 LED，装饰效果非常棒。

材料清单

树莓派 Zero W × 1
WS2812B LED（30 LED/m） × 200
带有 MAX7219 的 SPI LED 点阵显示器 × 4
电线 × 若干
蓝牙游戏手柄 × 1
电源5V 5A × 1
激光切割的 MDF 板 × 若干
木质贴面或扩散板 × 若干
电容 × 1
电阻 × 1
螺丝 × 若干

制作外框

点阵屏的框架由 MDF 木材制成，厚度为 3mm，并通过激光切割机切割。

大多数零件只是通过嵌入固定，只有某些零件（如外框）应使用木胶将其粘合在一起。在涂任何胶水之前，请确保之前的步骤是正确的。此外，还必须粘贴木质贴面，但这是确保一切正常之后的最后一步。

在背板的右侧（下部），有一个切割的部分，用于将电子元件固定到点阵屏上，并且当胶合单板时仍然可以接通这些元件。

激光切割文件请在项目文件库中下载。
https://make.quwj.com/project/209

安装 LED

LED 灯条是标准的 30 LED/m WS2812 灯条。

激光切割段具有较小的切割区域，以适合 10cm 的 LED 宽度。该 LED 灯带的背面带有双面胶带，因此可以在精确定位后直接将它们直接粘贴到 MDF 上。在使用胶带之前，请检查每条灯带的正确方向（ DIN-DOUT 方向）。

接线方式为锯齿形，因此在最后，点阵屏只有一个输入引脚，电缆长度应尽可能短。为了正确分配电源并减少点阵屏顶部的布线，每个 LED 灯条都连接到点阵屏底部的 5V 和 GND。可以使用单线或原型 PCB 来分配 5V 和 GND 线。

组装

只需按照分步安装图片进行操作即可。背板具有交叉结构，以固定长侧壁和一些短侧壁。如果在安装部件时遇到问题，请使用砂纸打磨处理。

焊接

有多种方法可以将不同灯带的电源线焊接在一起。可以使用单根电线或某种铜制共轨来焊接不同的电线。在这种情况下，使用原型 PCB 块将电源轨引导到灯带。WS2812B 灯带已经有单独的电源电缆，可以使用它们将电源轨连接到第一个灯带输入（图片的左侧）。

安装 SPI 显示

为了显示游戏成绩和文字，使用了基于 LED 驱动器 MAX7219 的 LED 点阵屏显示器。它通过 SPI（串行外围接口）连接到树莓派。四个 8x8 显示器组合成一个 32x8 像素点矩阵显示器。可以在网上购买这种 8x8 像素显示器，也可以购买 32x8 像素组合显示器。

同样，有不同的颜色选择；在这种情况下，使用红色显示。因为 SPI 就像移位寄存器一样工作，所以通过将第一个矩阵的数据连接到第二个矩阵的数据输入，依次将这些显示器串联在一起，依此类推，从显示器的右侧开始。

如果此显示直接放置在饰面板层的后面，则只能从外部读取。如果没有，则只有红色模糊可见。因此，必须将其安装在背板切口段的顶部，背板表面与点阵屏表面之间的距离为 30mm。我使用了一些剩余的木制件和螺钉来适应底板和 PCB 之间缺少的19毫米，也可以使用任何外部类型的垫片。

显示屏的接线将在下面的步骤中进行讲解。

安装树莓派

在此安装中，使用了树莓派 Zero。也可以使用任何其他树莓派型号，但是较新的型号具有集成的 WiFi 和蓝牙，可以轻松连接到无线游戏手柄并简化编程。
可以使用至少两个螺钉和小的垫片将树莓派固定到背板上，以固定树莓派。


对于树莓派 Zero W，使用以下引脚：

PIN 2：5V
PIN 6：GND
GPIO18-> LED灯条
GPIO11：SPI CLK -> MAX7219 matrix CLK
GPIO10：SPI MOSI -> MAX7219 matrix DIN
GPIO8：SPI CS -> MAX7219 matrix CS

接线和电源

根据接线方案进行接线。电源为 5V 直流电源。


为了方便点阵屏的开/关切换，在电源插头和点阵屏电路之间增加了一个开关。但是，由于树莓派不喜欢硬关闭，因此软件中有一个关闭选项，可以在切换点阵屏之前通过 Gamepad 安全关闭树莓派。

LED灯条DIN引脚通过电阻连接到Pi，还添加了一个大电容（4700uF）来缓冲电源。有关更多详细信息，请查看AdafruitÜberguidefor Neopixels。

每个 LED 消耗的最大电流为 60mA，因此最大电流为 200x60mA = 12A 是可以的。通过降低亮度并且不使用所有全白 LED，这虽然是一个理论值，但取决于达到最大电流的代码。因此，选择足够大的电源非常重要。对于大多数应用，具有 5V/5A（25W）的电源就足够了。

要将背板与树莓派和矩阵显示器固定在一起，可以使用一些小木块将它们的边缘固定，也可以使用螺钉将背板固定到位。

配置树莓派

1、下载最新的 Raspian Lite 版镜像并安装，参考教程:
https://shumeipai.nxez.com/2013/09/07/how-to-install-and-activate-raspberry-pi.html

2、配置网络，参考教程：
https://shumeipai.nxez.com/2017/09/13/raspberry-pi-network-configuration-before-boot.html

3、在 boot 分区下添加一个名为 ssh（没有任何扩展名）的空文件以启动以启用 ssh 访问。

4、将 SD 卡插入树莓派并启动它。

5、运行下面的命令安装软件和依赖。

sudo apt-get install python3-pip
sudo pip3 install --upgrade setuptool

6、安装 Neopixel 驱动程序，ws281x lib，pygame 和 libsdl

sudo pip3 install rpi_ws281x adafruit-circuitpython-neopixels
sudo pip3 install pygame
sudo apt-get install libsdl1.2-dev
sudo pip3 install --upgrade luma.led_matrix

7、通过调用 raps-config 启用 SPI，导航至 5 接口选项 /P4 SPI/Enable

sudo raspi-config

8、添加蓝牙游戏手柄

sudo bluetoothctl
[bluetooth]# agent on
[bluetooth]# pairable on
[bluetooth]# scan on
[bluetooth]# pair aa:bb:cc:dd:ee:ff
[bluetooth]# trust aa:bb:cc:dd:ee:ff
[bluetooth]# connect aa:bb:cc:dd:ee:ff
[bluetooth]# quit

其中 aa:bb:cc:dd:ee:ff 是蓝牙游戏手柄的 MAC 地址。使用“scan on”命令后，会显示该地址。确保蓝牙控制器已准备好配对，请检查控制器手册以了解如何进行配对。

9、现在，可以通过以下方式连接到树莓派，默认密码是 raspberry（Windows 用户可以使用 Putty）：

ssh pi@192.168.x.y

Python 代码，测试和模拟器

可以在 Github 上找到代码。games_pi_only.py 和所有 bmp 文件都是必需的。

git clone https://github.com/makeTVee/ledmatrix/tree/master/python/pi_only

该代码具有一个选项，可以使用 pygame 在树莓派之外的模拟模式下运行，以模拟点阵屏。这对开发新功能非常有帮助，而无需直接访问点阵屏硬件。而且调试也容易得多。必须设置PI常数才能激活仿真模式（第 15 行）：

PI=False

在此模拟模式下，还可以使用键盘代替蓝牙游戏手柄。按钮 1、2、3、4 分别映射到游戏手柄的 A，B，X，Y，方向箭头键，“s”表示开始，“x”表示选择。可以使用标准编辑器以及控制台，也可以使用某些集成的 IDE（例如 Micosoft Visual Studio Code 或 Jetbrain PyCharm）在 PC 上进行开发。
如果使用矩阵和树莓派，则必须定义：

PI=True

要将代码复制到树莓派，可以用 scp 命令。打开控制台窗口，切换到包含 Github 文件的文件夹并运行：

scp games_pi_only pi@192.168.x.y:/home/pi
scp *.bmp pi@192.168.x.y:/home/pi

然后通过 ssh 连接到树莓派（Windows用户可以使用Putty）：

ssh pi@192.168.x.y

成功登录后，通过以下命令来启动 python 代码：

sudo python3 games_pi_only.py

如果代码正确运行，则可通过以下命令启用自动启动：

sudo nano /etc/rc.local

并在出口 0 之前添加以下行：

/usr/bin/nice -n -20 python3 /home/pi/games_pi_only.py &

测试和贴面

在将胶合板粘贴在正面顶部之前，应先测试点阵屏以确保所有 LED 都能正常工作。


木质贴面是一种特殊的枫木贴面纸，称为 Microwood，单面覆盖有纸，厚度为 0.1mm。可以使用标准的无水纸胶将纸面直接粘合在 MDF 板上。

完工！

现在可以开心的玩耍啦！