Программируемые светодиоды: WS2812B, WS2813, APA102 Ограничения в использовании умных светодиодов в современных проектах декоративной светотехники

Адресная светодиодная лента – это украшение любого проекта Arduino. С ее помощью вы можете создавать светомузыку, умную подсветку для телевизора, бегущие строки и другие проекты, в которых требуется отобразить информацию на широком экране. Благодаря встроенным контроллерам, вы можете управлять каждым из светодиодов ленты в отдельности, управляя ими как пикселями на экране. В этой статье мы разберемся, как работает адресная светодиодная лента, как ее подключить к  Ардуино и какие библиотеки лучше использовать для управления.   

Адресные светодиодные ленты

Светодиодная лента – это набор связанных светодиодов, на которые может одновременно подаваться напряжение питания. Обычные ленты хорошо всем знакомы, они используются сегодня повсюду. В адресной светодиодной ленте так же используются светодиоды, но светоизлучающий диод может управляться отдельно и независимо от других. Таким образом, адресные ленты можно использовать для более интеллектуального управления световым потоком на отдельных участках ленты, включая или выключая подсветку в нужное время и в нужном месте.

Сегодня наибольшей популярностью пользуются разноцветные светодиодные ленты RGB-формата, позволяющие получать множество цветов. Благодаря конструкции есть возможность управления цветом каждого светодиода, что позволяет создавать оригинальные световые эффекты. Главное отличие адресной светодиодной ленты от обычной RGB ленты – это наличие специальных контроллеров (конструктивно выполненных в виде микросхем) возле каждого светодиода, что и дает возможность индивидуальной адресации и регулирования каждого оттенка.

Как правило,л ента содержит 3-4 контакта для подключения. Два вывода используются для питания – 5 Вольт и земля, остальные один или два – логический, для управления свечением.  

Управление умной лентой производится по цифровому протоколу. Это значит, что без управляющего контроллера управлять устройством нельзя. Кстати, при прикосновении к цифровому входу может загореться несколько диодов – это связано с тем, что появляются помехи, которые контроллер принимает за команды.  

Самыми популярными адресными светодиодными лентами являются устройства на чипах WS2812b и WS2811. В первом случае чип находится прямо внутри светодиода, то есть один прибор управляет свечением одного излучающего диода. Питание ленты составляет 5 вольт. Во втором случае чип помещается отдельно, и к нему подключаются 3 диода. Мощность – 12 вольт.

Купить адресную светодиодную ленту

Ленты ws2812 достаточно распространены на российском рынке, их без труда можно найти в многочисленных специализированных магазинах. Можем посоветовать интернет-магазин Giant4.Ru с достаточно широким ассортиментом различных светодиодных лент и вполне низкими ценами, сопоставимыми с али. Если же есть возможность и желание ждать товар с Алиэкспресса, то ниже мы собрали вместе некоторые популярные варианты у надежных поставщиков:

Как работает адресная светодиодная лента

Принцип работы ленты следующий. Она поделена на сегменты, в каждом из которых находятся светодиод и конденсатор. Они все подключены параллельно, а данные передаются последовательно от одного сегмента к другому. Управление осуществляется контроллером, в котором прописывается программа функционирования. Управлять лентой можно через платформу Ардуино.  

Маркировка адресной ленты: 

• Black PCB / White PCB – цвета подложки; 

• 1м/5 м – длина адресной ленты; 
• 30/60/74 и т.д. – сколько светодиодов приходится на 1 метр ленты; 
• IP30, IP65, IP67 – степень влаго- и пылезащищенности ленты =.  

Адресные светодиодные ленты используются для сборки полноценных модулей, в конструировании ламп с управлением soft lights, для декоративной подсветки, в построении диодных экранов уличной рекламы.  

Видео инструкции и ролики

Обучающее видео на канале HomeMade:

Видео по созданию бегущей строки на базе ленты ws2112

Лента на базе ws2812b

Лента на чипе ws2812b является более совершенствованной, чем ее предшественник. ШИМ драйвер в адресной ленте компактен, и размещается прямо в корпусе светоизлучающего диода.  

Основные преимущества ленты на основе ws2812b: 

• компактные размеры; 
• легкость управления; 
• управление осуществляется всего по одной линии + провода питания; 

• количество включенных последовательно светодиодов не ограничено; 
• невысокая стоимость – покупка отдельно трех светодиодов и драйвера к ним выйдет значительно дороже. 

Лента оснащена четырьмя выходами: 

• питание; 
• выход передачи данных; 

• общий контакт; 
• вход передачи данных. 

Максимальный ток одного адресного светодиода равняется 60 миллиамперам. Рабочие температуры лежат в пределах от -25 до +80 градусов. Напряжение питания составляет 5 В +-0,5. 

ШИМ драйверы ленты 8-мибитные – для каждого цвета возможно 256 градация яркости. Для установки яркости нужно 3 байта информации – по 8 бит с каждого светодиода. Информация передается по однолинейному протоколу с фиксированной скоростью. Нули и единицы кодируются высоким и низким уровнем сигнала по линии.  

1 бит передается за 1,25 мкс. Весь пакет из 24 бит для одного светодиода передается за 30 мкс.  

Пример подключения к ардуино

Любая адресная светодиодная лента имеет начало и конец, которые важно не перепутать во время сборки. На них есть специальные обозначающие стрелки, которые указывают направление сигнала.  

Лента ws2812B подключается к Ардуино следующим образом. 

Еще один вариант подключения:

Выходы питания с ленты 5В и земля соединяются с соответствующими контактами на микроконтроллере Ардуино. При подключении отрезка с более чем 13 светодиодами потребуется выносной блок питания. Земля и минус блока питания должны быть соединены друг с другом. DINможно подключить к любому цифровому порту на Ардуино. Он используется для получения данных с контроллера.  

Цифровой вход ленты идет на вход контроллера, поэтому между ними нужен токоограничивающий резистор номиналом 100-500 Ом. С его использованием нагрузка на пин будет ниже.  На другом конце ленты также есть 3 контакта, к которым можно подключить отрезки различной длины.  

Каждый блок ленты состоит из трех светодиодов. Соответственно, для управления подсветкой потребуется 3 байта – по одному на каждый свет. Каждый байт принимает значение от 0 до 255 – это значит, что есть возможность задания более 16 миллионов оттенков.

Данные передаются следующим образом: 

• ШИМ драйвер забирает первые 3 байта, остальные передаются на выход D0; 
• затем пауза длительностью 50 мкс; 
• второй драйвер принимает следующие 3 байта.И так далее.
• Когда длительность задержки становится более 50 мкс, передача окончена и начинается второй цикл.

Причины проблем при работе с адресной светодиодная лентой: 

• неправильное соединение с землей; 
• сигнальный провод идет не в начало схемы;
• перепутаны земля и 5 В;
• если получаются цвета ближе к красному, проблема с блоком питания, пайкой линии или слишком тонкие провода;
• после подключения без резистора пин на Ардуино может сломаться, поэтому придется переключать на другой. 

Библиотеки Ардуино для работы со светодиодной лентой

Для управления адресной светодиодной лентой существует 3 библиотеки: FastLED, AdafruitNeoPixel и LightWS2812. Наиюолее популярной является первая. Она поддерживает все версии Ардуино и различные протоколы данных, которые используются не только для адресной ленты. Но надо иметь в виду, что FastLED более ресурсоемкая.

Вторая библиотека, AdafruitNeoPixel, чаще используется при работе со светодиодными кольцами. Возможностей меньше, скорость ниже, но она менее требовательна к ресурсам, в ее составе только самое нужное. Поддерживает все версии Ардуино. Третья библиотека используется не очень часто.

Работать с библиотеками FastLED и Adafruit NeoPixel одинаково просто. Их отличия заключаются в функциональности и объеме занимаемой памяти.

Основные моменты подключения ленты: 

• Команды передаются друг за другом, и нужно не перепутать начало и конец. D1 принимает команды, D0 используется для подключения дополнительных отрезков.  
• Для подключения цифрового входа нужно резистор. 
• При монтаже адресной светодиодной ленты нельзя допускать статического электричества.  
• Если между лентой и Ардуино расстояние более 15 см, сигнальный провод и землю нужно перекрутить в косичку. Это поможет избежать наводок.  

• Питание. Каждому светодиоду в сегменте нужно 20 мА. Суммарный ток будет составлять 60 мА. Нужно просчитать общий ток ленты, и, исходя из полученного значения, подбирать блок питания. Например, лента длиной 1 м с 60 диодами будет потреблять 60*60=3600 мА=3,6 Ампер. Блок питания подбирается с похожей мощностью.  
• Силовые точки должны быть запаяны качественно. Провода должны иметь такое сечение, чтобы выдерживать подаваемую нагрузку. Минимальное сечение 1,5 кв.м. При тонких проводах заданный программно белый цвет будет отдавать красным оттенком.  
• Помехи. Лента, которая мигает, может создать помехи на линии. Если она с контроллером получает напряжение от одного источника, то помехи пойдут на микроконтроллер. Это может привести к нестабильности работы и различным сбоям. Решением проблемы будет установка электролитического конденсатора емкостью 470 мкФ на питание микроконтроллера и конденсатор на 1000 или 2200 мкФ на питание ленты.  
• Если лента и устройство управления питаются от источников с разным напряжением, нужно использовать преобразователь уровня.  
• Рекомендуется подавать на ленту менее 5 В питания. 
• Питание в длинной ленте советуется распределить по всей длине. В ином случае моет произойти перегрев токопроводящих дорожек.
• На ленте имеется толстый слой меди. От точки питания по ленте может падать напряжение. Для удаления подобной проблемы нужно дублировать питание при помощи медного провода сечением минимум 1,5 кв.м. через каждый метр.  

Соблюдение основных моментов и следование инструкции позволяет самостоятельно подключить адресную светодиодную ленту к вашему проекту.

119-Умные светодиоды WS2812B NeoPixels — GetChip.net

Светодиоды (пиксели) WS2812B и светодиодные ленты на базе этих пикселей довольно популярны и это оправдано по нескольким причинам:

— компактность — пиксель содержит в своем корпусе (размером всего 5х5 мм) 3 светодиода и драйвера для них
— простота управления – пиксель управляется посредством простого последовательного интерфейса, который легко реализовать как программно, так и используя аппаратные интерфейсы МК (такие как SPI и UART)
— управление всего по одной линии (не считая проводов питания)
— неограниченное количество включенных последовательно пикселей
— относительно небольшая стоимость (если посчитать стоимость отдельно 3х светодиодов и драйверов к ним выйдет гораздо дороже)

Эта статья попытка обобщить информацию (наверное, больше для себя) об умных светодиодах WS2812B в одном месте.

Начнем знакомство с серией WS

Первым идет WS2801

Фактически, это не светодиод а микросхема-драйвер для RGB-светодиода с последовательным интерфейсом SPI (есть линия данных и тактовая линия). Эти микросхемы используются во встраиваемых конструкциях пикселей:

Есть и ленты с использованием этих драйверов, но, наверное, их не найти уже.

Дальше — WS2811

Это тоже микросхема для управления RGB-светодиодом, но она уже компактней (8 ног, в отличие от WS2801 — 14 ног) и имеет однолинейный последовательный интерфейс.

Приближаемся — WS2812(S)

Это уже интегрированные в SMD корпусе 5050 и драйвер и сами светодиоды. Корпус 6-ти ножечный

Как и в предыдущем WS2811 интерфейс однолинейный, но тайминги протокола другие несовместимые.

И, наконец, WS2812B

Это почти аналог предыдущего светодиода, но уже с 4-мя ножками и слегка измененными таймингами протокола (совместимы, при использовании компромиссных значений временных периодов сигналов)

Еще существует WS2812D (аналог PD9823)

Это полностью WS2812B но в корпусе обычного 8мм светодиода.

Нас, прежде всего, интересует именно WS2812B, так как он наиболее популярный и недорогой. Его чаще всего используют радиолюбители в своих конструкциях как отдельно, так и в лентах.

Принцип работы WS2812B — официальная информация из даташита.

Физически в WS2812B имеется 3 излучающих светодиода (красный, синий и зеленый) и ШИМ-драйвера управляющие их яркостью. ШИМ-драйвера 8-ми битные, то есть для каждого из цветов возможны 256 градаций яркости и, соответственно, для того чтобы установить яркости для каждого из 3-х светодиодов нужно передать пикселю 8х3=24 бит (3 байта) информации. Протокол передачи информации светодиоду однолинейный с фиксированной скоростью. Единички и нули информации о яркости кодируются длительностью высокого и низкого уровня сигнала в линии.

Время передачи одного бита составляет  0.8+0.45=1.25 мкС — это довольно быстро. Время передачи всего пакета из 24 бит для одного пикселя WS2812B составляет 24*1.25=30 мкС. Для 1000 штук — 1000*30=30 мС (что, например, позволяет обновлять по одной линии панно 30х30 пикселей с частотой 30 раз в секунду!).

Каждый из пикселей WS2812B имеет 2 вывода питания (VDD, VSS), вход (DIN) и выход (DOUT).

На вход DIN подается информация (24бита) для установки нового цвета. Информация о цвете передается побитно (начиная со старшего бита) последовательно для каждой из составляющей цветов G, R, B.

Пиксели соединяются в цепочку следующим образом:

Запись значений цвета цепочке пикселей происходит следующим способом:
Первые 24 бита поданные на DIN записывает себе во временную память (цвет пока остается неизменным с предыдущего раза) первый пиксель. Последующие биты первый пиксель пропускает через себя и выдает на выход DOUT. Второй пиксель повторяет действия первого (оставляя себе первые дошедшие до него 24 бита)  и так по цепочке. Для того, чтобы значения цветов из временной памяти пикселей стали активными должна быть выдержана пауза в передаче (reset code) в течении 50мкС. После этой паузы цикл можно повторять снова.

Вот это основное, что нам говорит довольно скудный даташит.

Теперь более интересная часть –
Практические способы включения ленты и реализации протокола WS2812B.

То, о чем умалчивает даташит, я собрал из разных источников у людей имевший практический опыт работы с WS2812B. Конечно, это больше касается лент.

Для начала, общие советы (по большей части взятые с https://learn.adafruit.com):

— подключайте к ленте (между линиями питания) конденсатор побольше, вплоть до 1000 мкФ

— в разрыв линии данных (от МК к ленте) добавляйте резистор  300 — 500 Ом, устанавливая его ближе к ленте.

— по возможности, делайте короче провод данных к ленте

— при «горячем» подключении ленты, подключайте «землю» первой (отключайте последней)

— если лента запитана от отдельного источника питания, ее нужно запитать первой (после чего запитать схему управления)

— не допускайте статического электричества при монтаже ленты

— используйте преобразователь уровня, если лента и устройство управления запитаны от источников питания с разным напряжением

— напряжение питания пикселей, заявленное в даташите, лежит в пределах +3.5 ~ +5.3 вольт. Из чего видно, что предпочтительней подавать на ленту меньше 5ти вольт (этим правилом следует пользоваться при выборе количества элементов при батарейном питании)

— максимальный ток каждого пикселя составляет 60мА (при полной яркости белого цвета). Если Вы не планируете использовать ленту WS2812B как источник белого света (для этого лучше взять обычную светодиодную ленту с белыми светодиодами), то принято считать, что, усреднено, каждый пиксель потребляет 20мА.

Соответственно:
минимальный  ток ИП = 20мА*количество_пикселей.
максимальный  ток ИП = 60мА*количество_пикселей

— из последнего пункта вытекает следующее: если лента длинная, то недопустимо подавать на нее питание только с одной стороны. Для того чтобы исключить перегревание (или даже перегорание) токопроводящих дорожек ленты, питание ленты необходимо распределить по всей ее длине, подводя питание в нескольких местах отдельными проводами.

Теперь более ценные советы по реализации протокола

Есть несколько способов реализовать протокол умных светодиодов:
— аппаратный при помощи SPI-интерфейса
— аппаратный при помощи UART-интерфейса
— программный

Достоинство первых двух способов – это возможность освободить МК от части работы по передаче бит информации о цвете пикселю. Недостатки этих способов – во-первых, ограниченное количество линий управления пикселями (у МК редко бывает много незадействованных интерфейсных выходов), во-вторых, требуется дополнительное разбитие байтов информации о цвете на пачки битов (что частично съедает свободное время МК в моменты аппаратной передаче бит)

Реализация протокола WS2812B (NeoPixel) при помощи SPI

Прежде, чем приступить к реализации, следует акцентировать внимание, что у WS2812B кодирование нулей и единичек происходит по правилу 1/3 (смотрите даташит выше). То есть ноль передается как 1/3 времени высокий уровень и 2/3 низкий. Единица – это 2/3 высокий и 1/3 низкий. Из этого следует, что для передачи одного бита для  WS2812B нам достаточно 3х бит переданных по SPI.

Как видно на картинке, чтобы сформировать нужную последовательность нулей и единиц, нам придется дробить первичную информацию о цвете на кусочки, кроме того, в байт, передаваемый по SPI, не вписывается триады и их придется дробить тоже, перенося часть информации о бите для пикселя в следующую посылку… выходит очень запутано и сложно.

Но есть решение этой проблемы! Забегая наперед, сообщу, что для пикселя важна длительность периода высокого уровня, а низкий уровень может быть с бОльшим отклонением, чем указано в даташите. Поэтому мы может удлинить наши цепочки бит SPI с трех до четырех:

Вот теперь алгоритм становится более простым и приемлемым к реализации.

Для выдачи информации на пиксели используется только один вывод SPI – MOSI. Выводы MISO и SCK остаются незадействованными. Частота SPI должна быть 1/0.4мкС = 2.5МГц

Реализация протокола WS2812B (NeoPixel) при помощи UART

Все, о чем я писал для SPI, подходит и для UART, но тут есть несколько моментов, которые усложнят реализацию:

— UART в паузах удерживает свою выходную линию (TXD) в высоком уровне, что для пикселей недопустимо, так как невозможно будет избежать неопределенностей в моменты начала и окончании передачи

— соответственно, нужно инвертировать сигнал перед подачей его на пиксели

— а, так как линия инвертируется, нужно инвертировать и передаваемые данные

— UART-пакет, в отличии от SPI, содержит служебные биты – это старт-бит и стоп-бит (бит четности нужно отключать в настройках UART — он не нужен). Дополнительные биты служебной информации нужно учитывать при формировании передаваемого байта, так как они тоже пойдут в пиксель

В итоге, если учесть все нюансы, получается идеальная реализация протокола. Устанавливаем скорость UART 2.5 МГц (это нестандартно), устанавливаем размер кадра 7 бит (вместо стандартных 8-ми), убираем бит четности, оставляем один стоп-бит и получаем следующую картинку:

Программная реализация протокола WS2812B (NeoPixel)

Переходим к тому разделу, ради которого я и писал эту статью (но, видимо, увлекся по ходу 🙂 ). Для меня интересней реализовать этот протокол программно, так как эта реализация дает мне произвольное количество линий у МК к которым можно подключить ленты и управлять ими независимо. Это плюс. Минусом является то, что протокол довольно быстрый и это накладывает ограничения на процедуру формирования сигналов и, конечно, в моменты вывода значений цвета все прерывания у МК должны быть запрещены.

Первая проблема, которую придется решать – это формирование малых временных интервалов.
Для примера. МК работает на частоте 16МГц. Время одного такта 0,0625 мкС
Для формирования интерфейса WS2812B нам нужно формировать 2 временных интервала: 0,4мкС  (6 тактов) и 0,85мкС (14 тактов). Всего период бита составляет 20 тактов. Очевидно, язык высокого уровня не способен сформировать код с точной размерностью по тактам. Это возможно реализовать только на языке низкого уровня – придется использовать ассемблер (по крайней мере, только для этой процедуры).

Дальше возникает проблема с точностью формирования этих промежутков. Если мы говорим о передаче данных только для одного пикселя (3 байта), то периоды можно соблюсти очень точно, прописав отдельно буквально каждый бит. Другое дело если нам нужно передавать массив значений в одной посылке без пауз. Тут придется создавать алгоритм, который, кроме того что формирует сигнал (дрыгает ногой МК), еще и считывает данные с массива данных в SRAM (или Flash), возможно, осуществляет несложную обработку данных. В этом случае очень сложно будет уложиться в 20 тактов периода передачи бита и, неизбежно, будут возникать ситуации, где потраченное на обработку время превысит допустимые значения. Вот тут нам помогут исследования проведенные здесь:

Привожу итоговую таблицу того что допускает протокол в плане ухода от даташита.

Более детально читайте в статье по ссылке выше, но если кратко — протокол требует более жесткого формирования периодов сигнала с высоким уровнем, а периоды с низким уровнем могут быть значительно затянуты. Это дает нам простор для реализации «тяжелых» мест.

Далее, даташит нам дает время паузы после которой происходит защелкивание новых значений цвета – 50 мкС. По факту, защелкивание начинается уже после 10 мкС – нужно стараться не делать паузы больше 10 мкС во время передачи длинных пакетов данных.

И последнее, как видно из приведенных выше даташитов, у пикселей WS2812 и WS2812B разные временные периоды, формирующие нули и единички. Но используя допустимые отклонения по времени можно реализовать протокол, который сможет работать без проблем с обоими пикселями.

(Visited 90 506 times, 2 visits today)

программируемых светодиодов –

Введение

evive имеет 1 одноцветный и 2 двухцветных программируемых светодиода, а также фиксированные светодиоды для последовательной связи, индикации питания и состояния зарядки аккумулятора.

Одноцветный программируемый светодиод

Одноцветный светодиод подключается к цифровому выводу 13 Arduino Mega, который программируется и может управляться с помощью функций digitalWrite () или analogWrite ().

Следующий код иллюстрирует использование digitalWrite () для управления светодиодом:

Следующий код иллюстрирует использование analogWrite () для управления светодиодом:

Двухцветный программируемый светодиод

Два двухцветных программируемых Светодиоды прикреплены к цифровым контактам 28 и 29 для первого светодиода и цифровым контактам 30 и 31 для второго светодиода.Управляя выходом одного из выводов, вы можете управлять одним цветом светодиода и управляя вторым цветом. Оба светодиода являются общими катодными светодиодами, что означает, что общий вывод является заземлением, а когда другим выводам присваивается ВЫСОКИЙ, светодиод светится.

Следующая программа иллюстрирует использование двухцветного светодиода.

Непрограммируемые светодиоды:

1. Светодиод последовательной связи: evive имеет 4 последовательных канала связи.Для первого канала подключен двухцветный светодиод, который светится, когда связь происходит с канала.
2. Светодиод индикации питания: Этот светодиод светится, когда evive питается от любого источника (встроенная батарея или внешний источник питания).
3. Светодиод индикации питания: Этот светодиод постоянно светится, когда внутренняя батарея заряжается, и мигает, когда внутренняя батарея не подключена к evive.

Это помогло

Это не помогло

светодиодов | PSpice