-

Адресная РГБ лента: принцип работы и схема подключения светодиодов

Что такое адресная светодиодная лента?

Прежде всего, давайте посмотрим, что такое цифровая светодиодная лента, как она работает и как работает? По-другому ее еще называют прицельной, умной или «беговой» лентой”.

что такое адресная светодиодная лента

Основное отличие от обычных изделий — наличие микросхем на плате. Кроме того, они могут быть встроены в сам светодиод.

адресная лента с микрочипом
интегральная микросхема в светодиоде умной ленты
интегральная микросхема в светодиоде умной ленты

Так и внешний.

адресная лента с внешней микросхемой
внешняя микросхема в светодиодной адресной полосе

Они позволяют управлять режимами работы каждого сегмента отдельно. Таким образом, вы можете напрямую включать и выключать свечение любого светодиода или пикселя.

В этом случае пиксель представляет собой ячейку из одного или нескольких светодиодов одновременно (обычно по 3 штуки).

что такое пиксель на адресной ленте

Вы можете управлять яркостью и цветом любого диода в полосе и при этом создавать совершенно потрясающие световые эффекты:

  • за машину
  • для аквариума
  • на фасаде дома
  • на дереве

Разнообразие вариантов будет зависеть только от вашей фантазии.

Где применяется адресная светодиодная лента

Область применения адресных светодиодных лент столь же широка, как и у обычных лент RGB. Они используются для декоративного освещения различных объектов, салонов автомобилей, для внутренней отделки и особенно активно используются при оформлении рекламных вывесок. Благодаря возможности управлять каждым светодиодом отдельно с помощью адресных светодиодных лент, можно составлять целые полосы для отображения текста или даже огромные панели для отображения полноцветных изображений.

Адресная светодиодная лента для потолочного освещения

Большинство уличных ТВ-панелей собираются на основе адресных светодиодных лент для показа видеорекламы.

Сфера применения

Относительно высокая стоимость светодиодов и лент, собранных на микросхемах WS2811 и WS2812B, ограничивает область их применения по сравнению с обычными светодиодными лентами. В основном они используются для решения таких проблем, с которыми не справляется обычная светодиодная лента:

  • для сборки цветных модулей;
  • в конструкции светильников по принципу «мягкого освещения»;
  • как декоративная изюминка чего-либо;
  • при строительстве светодиодных видеоэкранов, используемых в уличной рекламе и развлечениях.

Интерес к адресной светодиодной ленте у радиолюбителей связан с тем, что на ее основе можно собрать подсветку, которая будет менять цвет и яркость по определенному алгоритму.

Установка программного обеспечения на светодиодную ленту.
Установка программного обеспечения на светодиодную ленту.

Какие бывают адресные светодиодные ленты

Микросхемы WS2811 и WS2812B могут использоваться для управления светодиодами адресных светодиодных лент. Микросхема WS2811 производится в корпусе DIP-8 или SOP-8 и крепится непосредственно к светодиодной ленте. Если светодиодная лента рассчитана на напряжение 5В, то такая интегральная схема устанавливается рядом с каждым светодиодом RGB. При использовании блока питания 12 В в такую ​​микросхему устанавливается один из трех светодиодов.

Адресная светодиодная лента с микросхемой WS2811 и WS2812B
Светодиод RGB с микросхемой WS2812B

Новый чип WS2812B настолько мал, что помещается непосредственно в корпусе светодиода RGB. Такие светодиоды на ленте расположены гораздо плотнее, а для питания используется источник 5 В.

Адресная светодиодная лента с микросхемой WS2813

В адресных (пиксельных) светодиодных лентах светодиоды подключены параллельно, при питании от 5В, но данные от драйвера к драйверу передаются последовательно. В этом есть серьезный недостаток: при выходе из строя одного из ШИМ-регуляторов все светодиоды, следующие за ним, перестанут работать. Для решения этой проблемы была выпущена следующая серия микросхем WS2813, которая позволяет использовать дублирующую четвертую дорожку для передачи данных. С микросхемами WS2813 все рабочие светодиоды будут работать, даже если некоторые в цепи выйдут из строя.

Технические характеристики

Адресная светодиодная лента состоит из светодиодов RGB в корпусе SMD 5050 и микрочипа драйвера ШИМ. В настоящее время наиболее популярны адресуемые светодиодные ленты на микросхемах WS2811 и WS2812B. Модификация WS2811 представляет собой интегральную схему (ИС) в корпусе DIP-8 (9,2×6,4 мм) или SOP-8 (5,1×4,0 мм). Этот трехканальный драйвер имеет следующую конфигурацию контактов:

  • 1 — выход с ШИМ-регулированием (красный);
  • 2 — выход с ШИМ-регулированием (зеленый);
  • 3 — выход с ШИМ-регулированием (синий);
  • 4 — общий;
  • 5 — вывод передачи данных;
  • 6 — вход передачи данных;
  • 7 — выбор режима работы;
  • 8 — питание + 5В.

Адресная светодиодная лента: каждый светодиод получает питание от общего источника, но включается одной командой.

В адресной полосе, использующей микросхему WS2811 и источник питания на 5 В, микросхема драйвера расположена в непосредственной близости от каждого светодиода SMD 5050 RGB, рядом с которыми также есть токоограничивающие резисторы и конденсатор, защищающий от помех. Но на данный момент такие модели морально устарели и встречаются крайне редко. Сегодня адресные светодиодные ленты на базе микросхем WS2811 продаются только с питанием +12 В. В этом случае микросхема WS2811 управляет не одним светодиодом, а группой из 3 штук.

Различные оттенки светодиодной ленты.
Различные оттенки светодиодной ленты.

По мере роста популярности микросхемы WS2811 ее место заняла более совершенная модель WS2812B. Этот тип ШИМ-драйвера намного компактнее и располагается непосредственно в корпусе светодиода SMD 5050. Если присмотреться, можно увидеть миниатюрный черный прямоугольник с позолоченными проводниками, выходящими из-под прозрачного люминофора.

Эта унификация позволила значительно упростить сборку адресных светодиодных лент и модулей, а сам WS2812B имеет всего 4 контакта:

  • 1 — блок питания (+ 3,5… + 5,3 В);
  • 2 — выход передачи данных;
  • 3 — общий;
  • 4 — вход передачи данных.

Микросхема драйвера потребляет не более 1 мкА, а максимальный ток адресуемого светодиода составляет 60 мА. Диапазон рабочих температур: от -25 до + 80 ° С. При выборе адресной светодиодной ленты важным критерием является степень защиты от влаги и пыли. Для использования вне помещений подходят только модели с IP65 и IP67.

Протокол

Теперь, когда мы понимаем, как подключить нашу ленту к Arduino, нам нужно понять, как ею управлять, для этого в даташите есть описание протокола, которое мы сейчас рассмотрим. Каждый светодиод WS2812B имеет один вход (DIN) и один выход (DO). Выход каждого светодиода подключен к входу следующего. Сигналы должны быть отправлены на вход самого первого светодиода, это запустит схему, и данные будут передаваться от первого ко второму, со второго к третьему и т.д. Команды на светодиоды передаются пакетами 24 бита (3 байта, по одному байту на каждый цвет, сначала передается байт для зеленого, затем для красного, и заканчивается байт для синего светодиода.

Знак светодиодной ленты.
Знак светодиодной ленты.

Порядок битов является наиболее значимым). Каждому пакету предшествует пауза в 50 мкс. Пауза более 100 мкс воспринимается как конец передачи. Все биты, как 0, так и 1, имеют фиксированное время 1,25 мкс. Бит 1 кодируется импульсом 0,8 мкс, за которым следует пауза 0,45 мкс. Бит 0 кодируется импульсом 0,4 мкс, за которым следует пауза 0,85 мкс. Собственно наглядная схема на фото ниже. Для каждого фронта также допускаются небольшие ошибки в 0–150 нс. Что ж, следует учитывать, что это нужно повторять для каждого светодиода на ленте, поэтому сделайте перерыв не менее 100 мкс. Затем вы можете повторить перенос.

Глядя на все эти цифры, становится понятно, что сделать все это с помощью стандартных функций digitalWrite, delay и подобных им просто невозможно из-за их долгой работы и неточности. Этот протокол можно реализовать только с использованием специальных библиотек, таких как CyberLib, или написав свою собственную на чистом C или, что еще хуже для текущего программиста, на Assembler. Но все не так плохо, как кажется. Светодиоды WS2812B довольно популярны в сообществе Arduino, а значит, нам не приходится сталкиваться с такими трудностями, и достаточно выбрать одно из понравившихся нам решений.

Отличие обычной RGB ленты от адресной светодиодной ленты

Цвет обычной цветной светодиодной ленты устанавливается одинаковым по всей длине с помощью внешнего контроллера, поэтому можно установить практически любой цвет или оттенок. В адресной светодиодной ленте каждая светодиодная лента, установленная на ленте, может управляться отдельно с помощью собственного ШИМ-контроллера. Оказывается, можно будет установить разные цвета для всех светодиодов на ленте.

Разные цвета светодиодов в одной пиксельной светодиодной ленте

Чаще всего управляемые светодиоды RGB в адресуемой светодиодной ленте подключаются к источнику питания 5 В, и в этом случае на такой адресной светодиодной ленте все светодиоды подключаются параллельно. В последних современных версиях таких лент стали использовать последовательное соединение трех светодиодов на секцию, что дало возможность подключать их к источнику питания 12 В.

В отличие от традиционных цветных светодиодных лент RGB, адресуемые светодиодные ленты не будут работать без команд внешнего процессора управления. Даже если они подключены к источнику питания, ни один из светодиодов не загорится, пока не будет получена соответствующая команда включения питания.

Адресные светодиодные ленты имеют начало и конец, которые необходимо учитывать при подключении. Для удобства на многих лентах есть стрелки, указывающие направление от начала до конца.

Описание RGB светодиодов WS2812 и WS2812B

Светодиод WS2812 (или его модификация WS2812B, которая будет использоваться в этой статье) — это светодиод RGB. То есть в одном корпусе представлены сразу три светодиода разного цвета — красный, зеленый и синий.

Внешний вид и размер светодиодов WS2812
Внешний вид и размер светодиодов WS2812

Светодиод WS2812 имеет 6 контактов, а WS2812B — только 4.

Назначение контактов светодиода WS2812Номер контакта Имя Назначение контакта

1 Dout Выход управляющего сигнала
2 Din Вход управляющего сигнала
3 VCC Электропитание цепи управления, 6… 7 В
4 NC Нет соединения
5 VDD Блок питания светодиодов, 6… 7 В
6 Gnd Земля

А вот назначение контактов светодиода WS2812B:

Внешний вид и размер светодиодов WS2812B
Внешний вид и размер светодиодов WS2812B

Назначение контактов светодиода WS2812BНомер контакта Имя Назначение контакта

1 VDD Блок питания светодиодов, 3,5… 5,3 В
2 Dout Выход управляющего сигнала
3 Gnd Земля
4 Din Вход управляющего сигнала

Основное преимущество этих светодиодов в том, что они могут быть соединены гирляндой друг за другом, могут быть соединены полосами или из них могут быть собраны панели. В этом случае управление осуществляется только по проводу. Это возможно благодаря тому, что каждый светодиод содержит контроллер, который управляет цветом и яркостью трех каналов RGB. Поскольку каждый светодиод WS2812 в цепочке может управляться отдельно, такие светодиоды называются «адресными». На сегодняшний день это самые «продвинутые» светодиоды для организации больших светодиодных массивов.

Например, на схеме показано последовательное соединение трех светодиодов. Управляющий сигнал подается на вход DIN первого светодиода. Светодиод обрабатывает его и передает дальше со своего выхода DOUT на вход следующего светодиода в цепочке. Таким образом, сигнал проходит через всю цепочку светодиодов, каждый из которых считывает свою последовательность управления и меняет цвет и яркость в соответствии с полученной командой.

Светодиод гирляндного подключения WS2812B
Светодиод гирляндного подключения WS2812B

На фото панель размером 10 на 10 светодиодов, с которой мы будем экспериментировать. Как видите, внизу панели светодиоды соединены в единую цепочку.

Верхняя сторона светодиодной панели WS2812B Нижняя часть светодиодной панели WS2812B

Обратите внимание, что светодиодная панель довольно энергоемкая. На иллюстрации ниже это видно по показаниям датчика тока, встроенного в блок питания: панель из ста светодиодов WS2812B потребляет ток более 3 ампер. Правда, почти все светодиоды в этом случае включаются на максимальную яркость белым цветом (режим, который потребляет больше всего энергии, поскольку все три канала RGB используются на максимальной яркости для обеспечения белого свечения).Светодиодная панель управления WS2812B

Примерный расход вашего устройства можно оценить следующим образом. Канал светодиода при максимальной яркости потребляет примерно 20 мА. Один корпус содержит 3 светодиода. В результате светодиод RGB потребляет максимум до 60 мА. Умножьте это число на количество светодиодов в матрице или ленте — это будет максимально возможное потребление, и блок питания должен обеспечивать этот ток.

Особенности

  • Возможность настроить переключение режимов через радиоприемник 2,4 Гц и по классической схеме на полетный контроллер с прошивкой Cleanflight, Betaflight и др.
  • Физическая кнопка для изменения цветовой схемы и режима отображения
  • Простая установка на заднюю часть квадрокоптера и 8 ярких светодиодов WS2812B

Отличие лент ws2812, ws2812b, ws2811

Наиболее распространенные модели на кристалле имеют маркировку WS2812 или WS2812b. С внешними — WS2811.

разница между лентами WS2812 и WS2811

Чем ws2812 отличается от ws2812b? Первый имеет 6 контактов (ПИН) для управления, а второй, на букву «б» — всего четыре.

разница между микросхемой ws2812b и ws2812

В 2812 питание светодиода и микросхемы раздельное. В 2812b питание встроенного драйвера и светодиода переведено на PIN (VDD).

ws2812b и ws2812 - технические характеристики

В чем основные различия между ws2812b и ws2811?

  • ws2812b — питание от 5в

лента 2812b

  • ws2811 — блок питания 12 в (последние модели 5 в были сняты с производства в 2015 году)

ws2811 12 v умная лента

WS2812 управляет кластером с одним диодом в каждом, WS2811 одновременно управляет тремя светодиодами.

Существенным недостатком диодов ws2812 является то, что при перегорании хотя бы одного из них в цепи все остальные светодиоды после этого сразу перестают работать.

Управление светодиодами WS2812B (или WS2812)

Если просто подать напряжение на светодиодную ленту, ничего не произойдет. Светодиоды ждут определенного сигнала, который будет ими управлять. Для управления используется однопроводной последовательный интерфейс. Биты «0» и «1» кодируются импульсами разной длины.

Коды нуля, единицы и сброса для светодиода WS2812B
Коды нуля, единицы и сброса для светодиода WS2812B

На схеме обозначены:

  • T0H — время удержания высокого уровня при передаче кода логического нуля;
  • T0L — время удержания низкого уровня при передаче кода логического нуля;
  • T1H — время удержания высокого уровня при передаче кода логической единицы;
  • T1L — время удержания низкого уровня при передаче кода логической единицы;
  • Treset — время сигнала об окончании escape-последовательности.

Кроме того, допуски по времени очень жесткие. Следовательно, для WS2812B время T0H = T1L составляет 0,35 мкс, а время T1H = T0L составляет 0,9 мкс. Для светодиода WS2812 параметры синхронизации более сложные: T0H = 0,35 мкс, T1H = 0,7 мкс, T0L = 0,8 мкс, T1L = 0,6 мкс. Но длительность передачи бита и там, и там 1,25 мкс.

Для обозначения цвета светодиода используется 24-битная схема RGB: для каждого из трех каналов выделено 8 бит. И цвета расположены в следующем порядке:

Цветовая кодировка RGB для светодиодов WS2812B
Цветовая кодировка RGB для светодиодов WS2812B

Другими словами, чтобы иметь возможность установить желаемый цвет на первом светодиоде цепочки, необходимо сгенерировать 24-битный код и вставить его во вход DIN цепочки. Если мы хотим установить цвет на двух светодиодах, необходимо сформировать 48-битный сигнал и также подать его на вход DIN цепочки. И т.п. Чем больше светодиодов в цепочке, тем длиннее последовательность, которую мы должны подавать на ее вход. После получения управляющего сигнала контроллер светодиодов берет из него первые 24 бита и устанавливает в этих 24 бита указанный цвет. Затем он отбрасывает эти 24 бита и передает оставшуюся часть последовательности. Здесь ситуация повторяется. Когда вся последовательность обработана или поступает сигнал сброса, светодиоды запоминают состояние и не изменяют его до тех пор, пока не поступит новый управляющий сигнал.

Остается сделать только одну небольшую вещь: передать значимую последовательность управления светодиодной цепочке WS2812B.

По этому поводу есть такая идея. Фактически, нам нужно передать 24-битные значения цвета в соответствии с положением светодиода в матрице 10 на 10. Точно так же данные хранятся в графических файлах в формате * .BMP. Только у них все еще есть заголовок в начале файла, который содержит дополнительную информацию: размер изображения, сколько бит на пиксель, есть ли сжатие и т.д. Вот как работает формат BMP подробно:

Внутренний формат BMP
Внутренний формат BMP

Вы можете нарисовать изображение размером 10 x 10 пикселей в любом графическом редакторе (например, Paint .NET) (или любом другом размере светодиодной панели), сохранить его в 24-битном формате, а затем взять массив байтов из массива пикселей данных изображения от этой схемы, а затем получаем контрольный массив для зарядки светодиодной панели.

Обратите внимание, что массив данных точки изображения BMP содержит отступы, которые заполняют строку байтов до кратного 4. То есть, например, в нашем случае строка содержит 10 пикселей по 24 бита на цвет (3 байта)… Следовательно, строка будет содержать 3 × 10 = 30 байт. Но 30 не кратно 4. Ближайшее кратное 4 равно 32. В результате в BMP-файле будет еще 2 байта заполнения для каждой строки изображения. Байты-заполнители необходимо игнорировать и не включать в массив элементов управления.

Ах да, чуть не забыл. В файле изображения BMP данные о цвете хранятся в формате RGB, а светодиод WS2812 принимает цвет в формате GRB. Вам нужно поменять местами цвета, иначе все изображения будут совсем не такими, как мы ожидаем.

Управление светодиодной панелью WS2812B по SPI с помощью FT2232H

Предлагаю использовать отладочную плату с микросхемой FT2232H и SPI через программу FTDI для проверки диодов WS2812B, которые нам уже не раз помогали. Проблема только в том, что FT2232H не может генерировать импульсы указанной длительности. Придется им подражать. Идея следующая.

Короткие импульсы (T0H и T1L) одинаковы для WS2812B и в 3 раза короче длинных импульсов (T0L и ​​T1H). Следовательно, используя 4 импульса, можно закодировать «0» или «1». То есть: для передачи логического нуля мы сформируем двоичную последовательность «1000» или 0x8, а для передачи логической единицы мы сформируем двоичную последовательность «1110» или 0xE. Следовательно, для кодирования двух битов исходной escape-последовательности потребуется 1 байт измененной последовательности.

Мы будем использовать режим SPI и его строку MOSI для передачи двоичных данных загрузки светодиодов. Кроме того, необходимо выбрать такую ​​частоту передачи, чтобы длительность бита составляла 1,25 мкс. Поскольку вместо одного бита мы должны передать четыре, поэтому, чтобы гарантировать ту же продолжительность, что и один бит управляющей последовательности, частота SPI должна быть в 4 раза выше: вместо 1 / 1,25 она будет 4 / 1,25 мкс = 3,2 МГц. Это чип FT2232H, который может предоставить.

Если создать произвольную последовательность управления и посмотреть ее на осциллографе, мы увидим, что эта идея вполне работоспособна: на осциллограмме видно 6 логических единиц и, следовательно, логический ноль. Кроме того, продолжительность передачи бита в среднем составляет всего 1,25 мкс.Осциллограмма части управляющего сигнала от светодиодов WS2812B

Теперь, когда мы знаем, как формировать биты требуемой длительности, нам нужно взять массив, прочитанный из соответствующего раздела файла BMP, и побитно преобразовать его в то, что нам нужно (бит «0» — в 0x8, «1» — до 0xE).

Я уже сделал все это и прилагаю к статье небольшое консольное приложение, которое принимает на вход файл * .BMP и генерирует из него двоичный файл с управляющей последовательностью, которую необходимо передать в цепочку светодиодов.

Для загрузки escape-последовательности воспользуемся программой SPI через FTDI. Подключимся к микросхеме FT2232H, установим режим SPI и выставим скорость передачи 3 МГц, при этом в полях состояний выводов укажем «00000000»; этот нулевой уровень будет служить сигналом сброса, по которому светодиодная лента «поймет», что передача управляющей последовательности завершена. Теперь в разделе «Запись» выберите сгенерированный двоичный файл. Нажмите кнопку, и файл, содержащий последовательность управления, будет перенесен в светодиодную цепочку.

Параметры программы при загрузке управляющего массива WS2812
Параметры программы при загрузке управляющего массива WS2812

В качестве примера на изображении в поле «Команда» показан массив, который активирует первые три светодиода цепочки красного, зеленого и синего цветов.

Включение первых трех светодиодов панели WS2812B

Когда мы загружаем управляющую последовательность, сгенерированную программой, на панели загорится изображение, которое мы только что нарисовали в графическом редакторе.

Светодиодная панель управления WS2812B

С помощью такого панно можно создавать довольно красивые и эффектные эффекты, например, оттенки цвета.

В развитие этой идеи с помощью такой светодиодной панели можно воспроизводить анимацию. Для этого можно создать контрольный файл, который будет последовательно содержать контрольные массивы для всех кадров анимации и для обеспечения пауз между кадрами будет необходимое количество нулей. Подсчитать количество нулей несложно, если вспомнить, что время передачи бита составляет 1,25 мкс.

Оцените статью
Блог про освещение