[Перевод] Экран для старой кассы стоил около $300, и я вывел картинку на VGA через Raspberry Pi Pico

Смотрели когда-нибудь на старое устройство и думали, можно ли заставить его дисплей работать с современным железом? С этого проект и начался.

У меня есть старый кассовый аппарат Samsung SPS-1000 с монохромным STN-дисплеем. Дисплейный модуль у него сломан. Я поискал такой же на eBay, и стоил он около 300 долларов. Сдаваться я не стал и решил разобраться, как касса управляет дисплеем и можно ли перехватить исходные сигналы и превратить их в обычный VGA.

В итоге я снял данные прямо с интерфейса дисплея Samsung SPS-1000 микроконтроллером STM32F407, потом RP2040, и восстановил картинку на VGA-мониторе в реальном времени. Сама касса при этом работает как обычно: микроконтроллер только слушает сигналы и собирает изображение независимо от неё.

Способ не привязан к SPS-1000. Его можно попробовать на многих старых монохромных STN-дисплеях и других экранах с параллельными данными и сигналами синхронизации.

Идея простая: старый контроллер дисплея не заменяем, а разбираемся в его сигналах, снимаем данные и строим новый интерфейс вывода.

Что понадобится

• Raspberry Pi Pico (RP2040).

• Отладочная плата STM32F407 Discovery.

• Преобразователь уровней: 20-выводная микросхема в DIP-корпусе (например, 74LVC245 или 74HCT245), чтобы безопасно опустить логику с 5 В до 3,3 В.

• Понижающий DC-DC-преобразователь: из 5 В от жгута кассы он делает стабильные 3,3 В для Pico.

• Разъём VGA DB15, гнездо (на переходной плате или для монтажа на панель).

• Резисторы 270 Ом для цветовых линий VGA и перемычка или резистор 0 Ом (необязательно, чтобы отключать питание при отладке).

• Макетная плата, паяльник, монтажный провод и штыревые разъёмы.

Прим. пер.: 74HCT245 для такого понижения не подходит. Он питается от 4,5–5,5 В, и его выходы дают уровень около напряжения питания, то есть те же 5 В. Для перевода 5 В в 3,3 В нужен вариант вроде 74LVC245 с питанием 3,3 В.

Как устроен исходный дисплей

В Samsung SPS-1000 стоит монохромный STN-дисплей. Управляет им контроллер SED1351FOA, он и формирует все сигналы для ЖК-панели.

Изучив плату дисплея и её разъёмы, я определил такие сигналы:

• U0, U1, U2, U3 — четырёхбитная шина пиксельных данных;

• XSCL — тактовый сигнал данных;

• LP — строчная синхронизация, защёлкивание строки;

• YD — кадровая синхронизация.

Разрешение экрана — 320 × 240 пикселей.

Главным открытием стало то, что контроллер и так выдаёт цифровые данные о пикселях. Подключаться к самому стеклу ЖК-панели не нужно: сигналы можно снять раньше, чем они дойдут до драйверов дисплея. Задача сразу стала намного проще.

Как работает перехват

Микроконтроллер подключается к существующему интерфейсу дисплея и непрерывно считывает четырёхбитную шину. Контроллером Samsung он не управляет: его дело только наблюдать за сигналами.

Цепочка выглядит так:

1. Контроллер дисплея Samsung выдаёт четырёхбитные данные.

2. XSCL задаёт моменты считывания.

3. LP отмечает начало новой строки.

4. YD отмечает начало нового кадра.

5. Микроконтроллер складывает данные в ОЗУ.

6. Программа превращает снятое изображение в кадровый буфер для VGA.

7. VGA-движок формирует синхронизацию и видеосигнал для обычного монитора.

Важнее всего здесь понять, как шина данных, тактовый сигнал и синхронизация связаны по времени. Когда это ясно, тот же приём можно перенести на другие дисплеи.

Тайминги дисплея

Это, пожалуй, самая важная часть проекта. Прежде чем писать код захвата, я изучил тайминги исходного интерфейса ЖК-дисплея.

Экран имеет 320 пикселей по горизонтали и 240 по вертикали, а шина данных шириной 4 бита. За один такт по ней приходит четырёхбитная выборка, то есть четыре монохромных пикселя. Значит, на активную часть строки уходит 320 / 4 = 80 тактов.

Вот что я намерил:

Лишние такты и строки приходятся на неактивные участки развёртки. Эти замеры показывают, где в общем потоке сигнала лежит само изображение.

Прим. пер.: в заметках к проекту автор приводит и абсолютные значения. XSCL идёт с частотой 8,013 МГц, то есть период около 124,8 нс. Частота строк 36,70 кГц, длительность строки примерно 27,25 мкс. Частота кадров 151,65 Гц. Цифры сходятся: 218 тактов по 124,8 нс дают те же 27,2 мкс. На осциллограмме напряжение сигналов доходит до 5,4–5,6 В, поэтому преобразователь уровней здесь не формальность. Из-за такта 125 нс автор считает опрос GPIO и обычные прерывания слишком медленными для захвата.

Совет всем, кто возится со старыми ЖК-дисплеями: не выводите тайминги из заявленного разрешения. Измеряйте сигналы и определяйте активную область сами. У разных контроллеров бывают разные интервалы гашения, полярность тактов, поведение синхронизации и форматы данных.

Восстановление изображения

Снятые данные ещё не являются кадровым буфером для VGA. Каждая четырёхбитная выборка несёт четыре монохромных пикселя, и программа должна разложить её на отдельные точки.

Для ускорения я использовал таблицу поиска:

1. Читаем одну четырёхбитную выборку.

2. Используем её значение как индекс в таблице.

3. Получаем четыре бита в виде выходных пикселей.

4. Повторяем для всего изображения.

Так не нужно вычислять что-либо отдельно для каждого пикселя.

Исходное разрешение — 320 × 240, а на VGA я вывожу 640 × 480. Каждый исходный пиксель становится блоком 2 × 2, и монохромная картинка занимает весь экран.

Вывод на VGA

Монохромный VGA-сигнал я написал с нуля. Готовую графическую библиотеку брать не стал: хотелось понять, как VGA работает на уровне железа, поэтому видеотайминги и монохромный вывод реализовал сам.

Реализации получилось две, для STM32F407 Discovery и для Raspberry Pi Pico (RP2040). Обе формируют однобитный монохромный VGA-сигнал.

Однобитный здесь значит, что на пиксель приходится один бит кадрового буфера: 0 — чёрный, 1 — белый. Для монохромного STN-дисплея этого достаточно. Трёх цветовых каналов хранить не нужно, и буфер для 640 × 480 занимает всего 640 × 480 / 8 = 38 400 байт, то есть 37,5 КиБ.

Аналоговая часть — простая резистивная схема. Видеовыход микроконтроллера подключается через резистор 220 Ом к одному из входов RGB разъёма VGA:

• на зелёный вход — получится зелёный монохром;

• на красный — красный;

• на синий — синий;

• смешав каналы, можно получить другой цвет.

Прим. пер.: в списке деталей автор указывает резисторы 270 Ом, а в описании схемы 220 Ом.

Строчную и кадровую синхронизацию VGA микроконтроллер формирует отдельно.

Генератор должен выдерживать точные тайминги. Для стандартного режима 640 × 480 примерно при 60 Гц традиционные параметры такие:

• пиксельная частота — около 25,175 МГц;

• строчная частота — около 31,469 кГц;

• кадровая частота — около 59,94 Гц.

Видеодвижок должен согласовывать пиксельные данные со строчной и кадровой синхронизацией, и здесь становятся важны аппаратные таймеры, DMA, GPIO и аккуратное управление временем.

Генератор VGA я реализовал независимо на обоих микроконтроллерах. Это оказалось отличной школой, потому что периферия у STM32F407 и RP2040 устроена по-разному, а цель одна: стабильный монохромный VGA с картинкой, восстановленной из сигналов дисплея Samsung SPS-1000. Заодно проект стал пригоднее для других экспериментов со встраиваемыми дисплеями.

Следующий шаг: Raspberry Pi Pico (RP2040)

Когда перехват заработал на STM32F407, я захотел повторить его на микроконтроллере поменьше и подешевле и выбрал Raspberry Pi Pico на RP2040.

Идея осталась той же:

• снимать четырёхбитную шину данных ЖК-дисплея;

• следить за тактовым сигналом XSCL;

• ловить строчную синхронизацию LP;

• ловить кадровую синхронизацию YD;

• восстанавливать исходное монохромное изображение 320 × 240.

Сам подход к реверсу менять не пришлось. Я просто адаптировал захват под архитектуру RP2040.

Реализация на Pico заработала на удивление хорошо. В моих опытах RP2040 давал даже более устойчивое снятое изображение, чем STM32F407. Особенно меня впечатлило, как он справляется с параллельным захватом данных. Выходит, чтобы восстановить старый интерфейс ЖК-дисплея, большая и дорогая отладочная плата не обязательна.

Прим. пер.: по README репозитория захват на Pico идёт через PIO. Конечный автомат синхронизируется с XSCL и считывает шину, DMA перекладывает выборки из приёмного FIFO в кольцевой буфер, а прерывания по LP и YD отслеживают строки и кадры. Вся PIO-программа из репозитория умещается в четыре инструкции:

.program stn_sniff
; Waits for XSCL clock edge, reads 4 data pins, and pushes to RX FIFO via DMA
.wrap_target
    wait 0 pin 0        ; Wait for XSCL falling edge (adjust to 1 for rising)
    in pins, 4          ; Read 4 parallel data bits into input shift register
    push noblock        ; Push sample immediately to FIFO (consumed by DMA)
    wait 1 pin 0        ; Wait for XSCL return edge to prevent re-triggering on same pulse
.wrap

Теперь у проекта две реализации одной идеи:

Отсюда важный вывод для всех, кто возьмётся за похожий проект: приём важнее конкретного микроконтроллера. Если вы понимаете сигналы дисплея, тайминги, формат данных и требования к памяти, реализацию можно перенести на другую платформу.

Для этого проекта с Samsung SPS-1000 я теперь предпочитаю Raspberry Pi Pico.

Результат

После опытов с GPIO, прерываниями, DMA и синхронизацией проект наконец заработал: STM32F407 снимал данные с дисплея Samsung SPS-1000 и восстанавливал изображение на VGA-мониторе.

Я также сбросил Samsung SPS-1000 к заводским настройкам и убедился, что касса продолжает нормально работать. На мониторе был виден живой интерфейс системы, и он менялся при переходах по меню.

Вывод

Проект начался со старой кассы и сломанного дисплея. Вместо того чтобы выбросить железо, я изучил сигналы и их тайминги, снял цифровые данные и собрал полностью новый интерфейс вывода на VGA.

Ценнее даже работающего VGA-экрана для Samsung SPS-1000 сам приём, который можно повторить. Если старый контроллер ЖК-дисплея всё ещё выдаёт цифровые данные о пикселях, их, возможно, получится снять и показать на современном железе.

Иногда для того, чтобы вернуть старую электронику к жизни, не нужно менять всё. Достаточно послушать её сигналы.

Больше всего мне понравилось увидеть, как интерфейс старого монохромного STN-дисплея работает на современном VGA-мониторе без каких-либо изменений в исходном контроллере дисплея. Проект показал, что стекло ЖК-панели не единственный способ добраться до выводимой информации.

Удачных экспериментов!

Файлы проекта

Исходный код и подробности реализации:

• Raspberry_Pi_Pico_Sniffing_SPS1000

• OpenDisplayBridge

• STM32F407_VGA_SPI

Документация:

• Сервисное руководство Samsung SPS-1000

• Руководство по программированию SAM4S SPS-1000

• Даташит SED1351

• Даташит HD66206

Важное предупреждение. Проект предназначен для экспериментов с электроникой и реверс-инжиниринга. Прежде чем подключать устройство захвата к работающему прибору, всегда проверяйте уровни напряжения, назначение выводов и электрическую совместимость. Не считайте, что другой STN-дисплей имеет ту же распиновку или те же тайминги, что Samsung SPS-1000.