Sortie vidéo du Raspberry Pi Pico

TL;DR

Le Raspberry Pi Pico est un incroyable petit microcontrôleur. Bien qu'il n'ait pas d'interface de sortie vidéo intégrée, comme ses grands frères Raspberry Pi Zero / 1 / 2 / 3 / 4 / 400 (HDMI / double HDMI dans leur cas), il est possible d'ajouter une sortie vidéo au Pico ! (Comme VGA ou DVI sur un connecteur HDMI, lisez la suite pour plus de détails)

Dans cet article, nous expliquerons pourquoi une sortie vidéo est une caractéristique très spéciale pour les microcontrôleurs, et quels types de sorties vidéo vous pouvez construire ou acheter pour votre Pico. Nous vous montrerons également un exemple de code - déjà précompilé pour vous, afin que vous puissiez le télécharger directement, et nous parlerons ensuite de ce que vous devez modifier pour le faire fonctionner.

Notre boutique sœur, buyzero.deLa société Pico, vend une variété d'accessoires pour Pico - y compris la chaussette DVIet le Carte VGA pour le Pico.

Remarque : le Pico ne dispose pas d'un système d'exploitation Linux comme le Raspberry Pi Zero W par exemple. Vous devrez donc probablement vous plonger un peu plus profondément dans l'apprentissage du codage et du téléchargement de vos applications sur la Pico. Si ce n'est pas votre truc, le Pi Zero W pourrait être un meilleur choix pour commencer à jouer 🙂 .

Si vous avez réussi à réaliser votre propre projet vidéo avec le Raspberry Pi Pico, faites-le nous savoir dans les commentaires !

Pourquoi l'ajout d'une sortie vidéo Raspberry Pi Pico est-il un défi ?

Le Raspberry Pi 400par exemple, est basé sur le SoC BCM2711. Ce système sur puce est doté d'un matériel spécialisé qui prend en charge la sortie vidéo, en la préparant parfaitement dans le format spécifié pour la ou les interfaces vidéo particulières, deux ports HDMI dans le cas de l'ordinateur de bureau. Pi 400. Il dispose également d'une mémoire massive (4 Go), dans laquelle sont stockées les données de sortie vidéo.

Pour mieux comprendre cela, nous devons examiner quelques principes fondamentaux de la sortie vidéo d'un ordinateur :

Affichage et transmission vidéo

Nous voyons l'affichage sur l'écran "en même temps". Notre cerveau est doté d'un câblage massivement parallèle, qui lui permet d'ingérer des informations provenant de toutes les cellules rétiniennes disponibles en même temps (cellules à cônes et cellules à bâtonnets).

(* le mécanisme de transmission au cerveau intègre l'information à travers plusieurs cellules de la rétine, mais il n'en reste pas moins que beaucoup d'informations sont transmises en parallèle. Regardez dans cellules bipolaires si vous souhaitez en savoir plus)

Cependant, le cerveau a des latences - il n'est pas en mesure de résoudre les problèmes d'accès à l'information. changements dans les stimuli visuels plus rapides que 13 ms. (soit environ 1 sur 75 images par seconde).

Pour nous, cela signifie que si nous voulons afficher une animation vraiment fluide, nous devons montrer environ 60 images statiques différentes par seconde. Notre cerveau interprétera ces images statiques comme une lecture fluide et réaliste.

En règle générale, nous souhaitons que ces images soient en couleur.

Nous avons trois photorécepteurs différents pour la couleur, de sorte que l'écran n'affiche que ces trois couleurs différentes avec une luminosité différente. Là encore, notre cerveau synthétisera les couleurs intermédiaires à partir des informations qu'il reçoit. (Petite parenthèse, pourpre n'existe pas vraiment en tant que longueur d'onde propre - c'est un mélange de rouge et de bleu).

Il existe trois couleurs primaires :

• rouge
• vert
• bleu

Ensemble, ils sont connus sous le nom de RVB. En les additionnant tous les trois, on obtient du blanc. En ajoutant le rouge au vert, on obtient du jaune, en ajoutant le vert au bleu, on obtient du cyan, en ajoutant le bleu au rouge, on obtient du magenta.

Ce que nous voulons vraiment obtenir, ce sont des résultats :

• trois couleurs différentes,
• chacune avec une valeur de luminosité différente
• idéalement, environ 60 valeurs différentes par seconde (60 Hz)
• une certaine résolution d'écran - par exemple 640 x 480

Calculons la quantité de données par seconde :

• 3 couleurs
• x 8 bits de profondeur de couleur
• x 60
• x 640 x 480

= 442.368.000 bits par seconde = ca. 422 MBit/s

(Considérons que, par exemple, l'interface USB v1.1 du Pico a un débit d'environ 10 Mbit/s, soit 40 fois moins !)

Une partie de votre application mettra à jour l'image dans la mémoire vive, tandis qu'une autre se chargera de fournir les données dans un format exploitable par un moniteur. Il doit s'agir de la RAM, car nous fonctionnons à des vitesses élevées et nous devons être en mesure de lire ces données de manière fiable avec des temps de latence réduits, ce que la mémoire flash ne permet pas.

Calculons la quantité de mémoire vive dont nous avons besoin :

• 640 x 480 (résolution)
• x 3 (couleurs)
• x 8 bits (profondeur de couleur)

= 7372800 bits = 900 kBytes (note 1 Byte = 8 Bits)

Alors que 900 kBytes peuvent tenir plusieurs fois dans la mémoire vive d'un Raspberry Pi 400, le Pico n'a que 264KB de RAM.

Comme vous le voyez, nous devrons réduire certains paramètres (par exemple la résolution, la profondeur de couleur, ...) si nous voulons faire tenir une image bitmap dans la RAM, ou nous devrons trouver des idées astucieuses pour faire fonctionner le système sans tout stocker !

Le RP2040 PIO de Pico permet d'émettre des données vidéo.

Enfin, alors que le Raspberry Pi 400 et les autres modèles de Raspberry Pi disposent de circuits matériels dédiés pour traiter toutes ces informations et les restituer de manière fiable, le Pico ne dispose pas de circuits spéciaux dédiés à la sortie vidéo.

Mais il a plus d'un tour dans son sac ! Le RP2040 supporte le PIO (programmable IO). Le PIO est dédié à l'émulation de différentes interfaces avec un timing précis, et il est très très puissant ! Elle peut être programmée pour lire à partir de la RAM et émettre à des vitesses élevées.

Nous utiliserons le PIO pour émettre de la vidéo sur certaines broches GPIO, et nous utiliserons des circuits supplémentaires (résistances) pour amener le signal dans les conditions souhaitées, en fonction de l'interface de sortie vidéo à laquelle nous voulons connecter le Pico.

Historique des formats de sortie vidéo

Avant d'entrer dans le vif du sujet, à savoir comment ajouter une sortie vidéo à votre Raspberry Pi Pico, jetons un coup d'œil à l'histoire des formats de sortie vidéo.

Comme nous l'avons déjà dit, l'œil humain n'est pas capable de détecter des changements dans les images à une vitesse supérieure à environ 13 ms. C'est pourquoi l'une des premières approches de la construction d'écrans d'ordinateur a été l'utilisation de l'écran d'ordinateur. CRT (tube cathodique) moniteur.

Le tube cathodique possède trois canons à rayons qui balayent pixel par pixel, ligne par ligne. (et ont besoin d'un certain temps pour revenir au point de départ). L'écran contient des phosphores colorés qui continuent à émettre de la lumière pendant un certain temps après le passage du rayon. Lors du prochain passage du pistolet à rayons sur ce pixel particulier, l'intensité du rayon peut avoir changé, ce qui se traduira par un pixel plus sombre. Notre cerveau fusionne les pixels phosphorescents colorés adjacents en un seul pixel et n'est pas en mesure de remarquer les changements de luminosité entre les balayages des rayons.

L'illusion d'une image en mouvement est ainsi créée.

En effet, il n'est pas nécessaire que toutes les données soient présentes au début de l'image. juste la valeur actuelle de l'épaisseur du pixel. L'intensité du rayon sera modifiée en conséquence. Nous pouvons utiliser un signal analogique pour cela - par exemple, l'augmentation de la tension augmentera la luminosité.

Nous avons besoin de trois fils différents pour les différentes couleurs (pour piloter chaque canon à rayons individuellement), et nous devons avoir un moyen de faire savoir au moniteur quand une nouvelle ligne doit être démarrée, et quand une nouvelle image doit être démarrée (quand toutes les lignes ont été affichées).

VGA (matrice graphique vidéo)

Le VGA a été conçu pour les moniteurs à tube cathodique. Il est encore relativement courant comme entrée sur les moniteurs, même s'il devient de plus en plus obsolète à mesure que nous passons à une transmission entièrement numérique (nous y reviendrons plus tard).

Il s'agit également de la norme de sortie vidéo la plus facile à faire fonctionner sur la Pico.

Outre une spécification (avec des modes de résolution par défaut), il spécifie un connecteur, le connecteur VGA :

Il comporte 15 broches :

1. RED (vidéo rouge)
2. VERT (vidéo verte)
3. BLUE (vidéo bleue)
4. ID2/RES (réservé)
5. GND (Masse HSync)
6. RED_RTN (retour rouge, masse analogique pour le rouge)
7. GREEN_RTN (Retour vert, masse analogique pour le vert)
8. BLUE_RTN (Retour bleu, masse analogique pour le bleu)
9. KEY/PWR (+5 V DC alimente la puce EDID EEPROM sur certains moniteurs)
10. GND (Masse VSync, DDC)
11. ID0/RES (réservé)
12. ID1/SDA (données I2C depuis DDC2)
13. HSync (Synchronisation horizontale)
14. VSync (Synchronisation verticale)
15. ID3/SCL (horloge I2C depuis DDC2)

Remarque : les câbles VGA peuvent prendre en charge différentes résolutions, profondeurs de couleur et fréquences de rafraîchissement, alors que le mot "VGA", lorsqu'il fait référence à la résolution, signifie généralement 640 x 480.

Comme vous le voyez, il y a trois fils transportant les données de l'image, un pour chaque couleur. Le signal est transmis avec une tension de crête (maximale) de 0,7 V. Les signaux transmis pour les couleurs sont de nature analogique - des tensions plus élevées augmentent la luminosité, une tension de 0 signifie que le pixel est sombre / éteint.

Faire fonctionner la sortie VGA sur le Pico

Cela signifie que la Pico, avec sa sortie numérique de 3,3 V, a des tensions suffisamment élevées pour pouvoir conduire ces broches RVB dans le câble VGA (qui attend des tensions de 0 à 0,7 V). Nous devons en fait réduire la tension en utilisant des résistances.

Nous pouvons construire un simple DAC (convertisseur numérique analogique) en combinant plusieurs résistances et des broches GPIO. En fonction de la combinaison des broches GPIO actives à un moment donné, nous avons différents niveaux de tension (= niveaux de luminosité) :

Comme vous pouvez le voir dans l'image ci-dessus, cinq GPIO (0 -4) pilotent un canal (rouge dans ce cas), ce qui nous donne une profondeur de cinq bits. Les résistances sont pondérées 1:2:4:8:16, par exemple le bit le moins significatif (LSB) du rouge a une résistance de 8.06K.

Lorsque vous essayez de construire ce circuit, vous devriez opter pour 1 résistance de tolérance % pour obtenir une bonne image.

Veuillez vous référer à "Conception du matériel avec le RP2040"pour comprendre comment les valeurs des résistances ont été calculées. En résumé, si nous les pilotons toutes en même temps, nous obtiendrons une tension de 0,74 V, ce qui est acceptable pour nos besoins.

Plus précisément, cette conception de référence propose de prendre en charge un format de données RVB 16 bits couramment utilisé (RVB-565), qui utilise 5 bits pour le rouge et le bleu, et 6 pour le vert. Nous pouvons réduire la sortie physique vers le vert à 5 broches GPIO, comme pour les autres couleurs, afin d'économiser une broche.

En outre, deux autres broches sont nécessaires pour la synchronisation de la suppression horizontale et verticale (HSYNC et VSYNC).

Cela nous amène à un total de 17 broches GPIO pour piloter une sortie VGA. Heureusement, la Pico a 26 broches GPIO disponibles, ce qui nous permet de piloter la sortie VGA.

Comme indiqué précédemment, le Pico est également capable de piloter ces broches aux fréquences nécessaires et avec un timing précis, grâce à la fonction PIO (E/S programmable) du RP2040.

Matériel de sortie vidéo VGA pour Raspberry Pi Pico

Raspberry Pi a conçu et mis en libre accès une carte porteuse pour la Pico qui présente différentes fonctionnalités :

• Sortie VGA
• boutons
• emplacement microSD
• sorties audio (PWM analogique, I2S numérique)

Acheter la carte Pico VGA / Audio / microSD

Nous (buyzero.de) sont actuellement en train de faire construire et assembler pour nous cette carte de conception de référence. Contactez-nous si vous souhaitez être informé(e) lorsque la planche sera disponible à l'achat.!

Le site La carte Pico VGA est maintenant disponible à l'achat chez nous, stock initial limité.!

Entre-temps, Pimoroni a également créé une version de ce tableau, qu'il appelle le Pimoroni Pico VGA Demo Base.

Note complémentaire : chaque broche des 15 broches de sortie rgb devra toujours être pilotée à environ 17,58 Mbit/s, ce qui reste un chiffre impressionnant, mais beaucoup plus gérable !

Logiciel nécessaire pour piloter la sortie VGA

Comme nous travaillons sur le Pico, il n'y a pas de "pilotes graphiques" que nous pouvons simplement installer. Nous devons écrire le code nous-mêmes... ou pas 🙂 .

Heureusement, les personnes qui ont conçu la carte matérielle pour nous fournissent déjà du code que nous pouvons utiliser, ce qui nous permet de nous concentrer sur notre projet.

Un exemple de code que vous pouvez utiliser peut être trouvé dans le dépôt pico-playground :

• https://github.com/raspberrypi/pico-playground

Dans ce dépôt, il y a un simple lecteur de films appelé pop-corn (qui lit les films dans un format personnalisé). A big buck bunny, d'une taille de 1,6 Go, peut être téléchargé ici. Notez qu'il s'agit d'images de disque brutes à écrire sur une carte SD - cet exemple suppose que vous avez la carte de démonstration VGA, qui a un emplacement SD. Instructions pour convertir des films sont également indiquées.

Le code utilise le pico_scanvideo (pico/scanvideo.h) à partir de la bibliothèque pico_extras . Jetez également un coup d'œil à ce dépôt pour des exemples de code audio !

• pico_scanvideo - comprend une documentation complète !

L'API émet des données RVB parallèles et un signal de synchronisation sur des broches pour le DPI VGA (en utilisant des résistances DAC, comme décrit ci-dessus).

C'est un point important :

• Le programme PIO scanline par défaut accepte les données codées en longueur d'onde - cela signifie que vous pouvez économiser de la RAM pour générer des zones de couleur plates (je pense aux jeux !).

En général, il est préférable d'utiliser l'option Bibliothèque pico_scanvideo au lieu de développer un code de sortie VGA à partir de zéro 🙂 .

bonnes pratiques de codage

Plus de démos

Consultez le site répertoire scanvideo du dépôt pico-playground:

• mandelbrot: un générateur de mandelbrot utilisant un framebuffer de 320x240x16
• sprite_demoLes têtes d'Eben : des têtes d'Eben qui rebondissent (vidéo en haut de notre page !)
• modèle_test: Affichage des barres de couleur

Utilisation de la carte VGA

Vous devez passer un paramètre supplémentaire à CMake lors de la compilation :

-DPICO_BOARD=vgaboard

• https://forums.pimoroni.com/t/pico-vga-demo-board-instructions-information/16296/8

TBD : Ajouter des guides étape par étape

DVI : Interface visuelle numérique

La technologie évolue. La vie évolue. Les tubes cathodiques sont devenus de plus en plus obsolètes, remplacés par des écrans plats plus modernes, dotés d'interfaces numériques. Il n'y a pas de rayons mobiles, juste des pixels.

Pendant un certain temps, les signaux ont continué à être analogiques - mais ce n'est pas très souhaitable, car nous devons prendre quelque chose de numérique, le transformer en quelque chose d'analogique, puis le retransformer en quelque chose de numérique. L'image sera moins précise et nous aurons des circuits supplémentaires dont nous pourrions nous passer.

C'est alors qu'est apparu le DVI. Il a intelligemment offert une option pour transmettre des signaux analogiques également, de sorte que de simples adaptateurs/câbles DVI vers VGA ont pu être construits. Bien entendu, la carte graphique doit émettre des données analogiques et numériques. Mais cela a contribué à l'acceptation de la norme et à sa généralisation.

Nous nous intéressons ici aux signaux numériques (DVI-D), car nous aimerions les faire passer par un bit-bang à partir du Raspberry Pi Pico.

Avec DVI-D, les données d'image sont transmises en série.

Une connexion DVI "single link" (la plus basique) se compose de quatre les liaisons dites TMDS (transition minimized differential signaling) :

• rouge
• vert
• bleu
• horloge à pixels

La signalisation différentielle est utilisée pour minimiser les interférences (puisque

Nous disposons d'un total de 24 bits par pixel (8 bits x 3 couleurs) et nous codons les données en utilisant le codage 8b10b (les 8 bits sont mappés en symboles de 10 bits sur la ligne physique réelle afin d'obtenir, entre autres, un équilibre de la tension continue).

Le DVI traite les pixels de la même manière que le VGA : tout est retransmis à chaque fois que l'image "redémarre", et les données sont cadencées avec précision. C'est comme une ligne téléphonique, où la ligne est constamment utilisée lorsque deux personnes se parlent.

Note : contrairement à ce qui précède, DisplayPort traite les données comme des paquets - qui présente un certain nombre d'avantages.

Contrairement à l'exemple VGA évoqué plus haut, les données étant envoyées sous forme numérique, au lieu de valeurs de luminosité analogiques, les volumes de données sont beaucoup plus importants.

Luke Wreningénieur chez Raspberry Pi, pensait que le RP2040 (au cœur du Pico) serait également capable de piloter une sortie DVI, toujours en utilisant PIO.

Le résultat est le suivant Dépôt PicoDVI & et les projets, et la Chaussette Pico DVI.

Luke Wren a calculé qu'environ Données série 252 Mbps doit être piloté par les pads numériques GPIO - série différentielle, qui est émulée avec deux pads asymétriques.

Ci-dessus, vous voyez le circuit utilisé pour piloter la sortie DVI (à l'aide d'un connecteur HDMI, plus d'informations à ce sujet ci-dessous). 270 Ohm résistances.

Luke Wren est même allé plus loin en ajoutant une double sortie DVI à sa configuration PicoDVI au moyen d'une carte d'extension :

HDMI : compatibilité descendante avec DVI

HDMI est la prochaine évolution des connecteurs (et en concurrence avec DisplayPort). Il est entièrement compatible avec les signaux numériques DVI, ce qui permet d'avoir des convertisseurs DVI / HDMI simples et purement passifs.

Chaussette Pico DVI

La chaussette Pico DVI est une solution simple et peu coûteuse pour ajouter une sortie vidéo numérique à votre Pi. Elle a été conçue par Luke Wren (voir la description ci-dessus). Il s'agit d'une sortie DVI avec un connecteur HDMI. Comme le HDMI est compatible avec le DVI, vous pouvez utiliser un câble HDMI pour connecter votre Pico à des écrans HDMI :

Programmation de la station d'accueil DVI de Pico

TL;DR

Vous pouvez télécharger notre picodvi-test.zip et commencez à jouer avec les compilations de l'exemple .UF2 qu'il contient. Il comprend également un PDF qui vous guide pas à pas.

Exemples de code

Luke Wren fournit des exemples de code dans son dépôt. Cependant, pour les utiliser avec la chaussette Pico DVI, vous devez définir la configuration correcte à utiliser. Nous allons vous montrer comment faire dans ce mini-tutoriel.

Conditions préalables à l'installation

sudo apt install cmake gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi build-essential

Clonez le repo PicoDVI de Luke Wren :

cd ~
mkdir pico
cd pico 
git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk
cd pico-sdk
git submodule update --init
cd ~/pico
git clone https://github.com/Wren6991/PicoDVI.git

Pour utiliser les exemples de code avec la chaussette DVI de Pico, vous devez définir le paramètre configuration correcte des broches à utiliser. Ajoutez la ligne suivante à common_dvi_pin_configs.h juste avant le premier #ifndef

#define DEFAULT_DVI_SERIAL_CONFIG pico_sock_cfg

Construire les exemples

cd PicoDVI/software/
mkdir build
cd build
export PICO_SDK_PATH=~/pico/pico-sdk
make -j$(nproc)

Installer les exemples sur le Pico

Les exemples construits se trouvent dans le dossier software/build/apps.

Appuyez sur la touche BOOTSEL de la Pico et maintenez-la enfoncée, puis connectez la carte à votre PC à l'aide du connecteur microUSB. Copiez et collez le fichier .uf2 approprié que vous souhaitez essayer - par exemple sprite_bounce.uf2 - sur la Pico.

Le Pico redémarrera automatiquement et vous devriez pouvoir voir la sortie sur le connecteur HDMI (n'oubliez pas qu'il s'agit en fait d'un DVI :-)).

Télécharger

Vous pouvez télécharger notre picodvi-test.zip et commencez à jouer avec les compilations de l'exemple .UF2 qu'il contient. Il comprend également un PDF qui vous guide pas à pas. Si le fichier sprite_bounce.uf2 ne fonctionne pas, essayez un autre moniteur - il est possible que tous les moniteurs ne soient pas compatibles avec cette sortie vidéo.

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, dites-nous dans les commentaires comment cela a fonctionné pour vous et quelles sont les idées de projets que vous avez trouvées !

Acheter une chaussette Pico DVI

Notre page sœur, buyzero.de, stocke les Chaussette Pico DVI en deux variantes :

• Socle Pico DVI uniquement (pour auto-soudure) @ 6,58 € actuellement
• Pico DVI Sock sur Pico, avec connecteurs pré-soudés @ 17,89 € actuellement

Sidenote : Affichages DBI et DSI

• https://github.com/raspberrypi/pico-extras/tree/master/src/common/pico_scanvideo

Par ailleurs, le dépôt Raspberry Pi Pico Extras contient des espaces réservés pour DBI (écrans MIPI DBI 16 bits - les données étant transmises en parallèle) et DSI (écrans MIPI série), il est donc possible que ces écrans soient également pris en charge à l'avenir.