Светодиоды c пиксельной адресацией WS2812B

В этом гайде расскажу вам о такой штуке как адресная светодиодная лента (лента из адресных светодиодов). Рассмотрим отличия от других типов светодиодных лент, особенности и тонкости подключения, а также управление при помощи Arduino

РАСШИФРОВКА

• Black PCB / White PCB — цвет подложки ленты, чёрная / белая
• 1m/5m — длина ленты в метрах
• 30/60/74/96/100/144 — количество светодиодов на 1 метр ленты
• IP30 лента без влагозащиты (как на видео)
• IP65 лента покрыта силиконом
• IP67 лента полностью в силиконовом коробе

Лента

Полоски

Кольца

Матрицы

КОНТРОЛЛЕРЫ

Адресные ленты можно подключить к готовому контроллеру и переключать режимы пультом/со смартфона

Контроллер 0

Контроллер 1

Контроллер 2

Контроллер 3

Итак, данный гайд посвящен адресной светодиодной ленте, я решил сделать его познавательным и подробным, поэтому дойдя до пункта “типичные ошибки и неисправности” вы сможете диагностировать и успешно излечить косорукость сборки даже не читая вышеупомянутого пункта. Что такое адресная лента? Рассмотрим эволюцию светодиодных лент.

Обычная светодиодная лента представляет собой ленту с напаянными светодиодами и резисторами, на питание имеет два провода: плюс и минус. Напряжение бывает разное: 5 и 12 вольт постоянки и 220 переменки. Да, в розетку. Для 5 и 12 вольтовых лент нужно использовать блоки питания. Светит такая лента одним цветом, которой зависит от светодиодов.

RGB светодиодная лента. На этой ленте стоят ргб (читай эргэбэ – Рэд Грин Блю) светодиоды. Такой светодиод имеет уже 4 выхода, один общий +12 (анод), и три минуса (катода) на каждый цвет, т.е. внутри одного светодиода находится три светодиода разных цветов. Соответственно такие же выходы имеет и лента: 12, G, R, B. Подавая питание на общий 12 и любой из цветов, мы включаем этот цвет. Подадим на все три – получим белый, зелёный и красный дадут жёлтый, и так далее. Для таких лент существуют контроллеры с пультами, типичный контроллер представляет собой три полевых транзистора на каждый цвет и микроконтроллер, который управляет транзисторами, таким образом давая возможность включить любой цвет. И, как вы уже поняли, да, управлять такой лентой с ардуино очень просто. Берем три полевика, и ШИМим их analogWrit’ом, изи бризи.

Адресная светодиодная лента, вершина эволюции лент. Представляет собой ленту из адресных диодов, один такой светодиод состоит из RGB светодиода и контроллера. Да, внутри светодиода уже находится контроллер с тремя транзисторными выходами! Внутри каждого! Ну дают китайцы блэт! Благодаря такой начинке у нас есть возможность управлять цветом (то бишь яркостью r g b) любого светодиода в ленте и создавать потрясающие эффекты. Адресная лента может иметь 3-4 контакта для подключения, два из них всегда питание (5V и GND например), и остальные (один или два) – логические, для управления.

Лента “умная” и управляется по специальному цифровому протоколу. Это означает, что если просто воткнуть в ленту питание не произойдет ровным счётом ничего, то есть проверить ленту без управляющего контроллера нельзя. Если вы потрогаете цифровой вход ленты, то скорее всего несколько светодиодов загорятся случайными цветами, потому что вы вносите случайные помехи, которые воспринимаются контроллерами диодов как команды. Для управления лентой используются готовые контроллеры, но гораздо интереснее рулить лентой вручную, используя, например, платформу ардуино, для чего ленту нужно правильно подключить. И вот тут есть несколько критических моментов:

1) Команды в ленте передаются от диода к диоду, паровозиком. У ленты есть начало и конец, направление движение команд на некоторых моделях указано стрелочками. Для примера рассмотрим ws2812b, у нее три контакта. Два на питание, а вот третий в начале ленты называется DI (digital input), а в конце – DO (digital output). Лента принимает команды в контакт DI! Контакт DO нужен для подключения дополнительных кусков ленты или соединения матриц.

2) Цифровой вход ленты идёт напрямую на «сырой» вход микроконтроллера внутри диода, поэтому между ним и управляющим пином ардуино нужен токоограничиваюший резистор с номиналом 200-500 ом. Без него есть большой шанс выгорания пина Ардуино или первого светодиода в ленте. Не испытывайте удачу, поставьте резистор. Точность резистора? Любая. Мощность резистора? Любая. Да, даже 1/4.

2.1) Если между лентой и контроллером (Arduino) большое расстояние, т.е. длинные провода (длиннее 10-15 см), то сигнальный провод и землю нужно скрутить в косичку для защиты от наводок, так как протокол связи у ленты достаточно скоростной (800 кГц), на него сильно влияют внешние наводки, экранирование земляной скруткой поможет этого избежать. Без этого может наблюдаться такая картина: лента не работает до тех пор, пока не коснёшься рукой сигнального провода.

3) Самый важный пункт, который почему то все игнорят: цифровой сигнал ходит по двум проводам, поэтому для его передачи одного провода от ардуины мало. Какой второй? Земля GND. Как? Контакт ленты GND и пин ардуино GND (любой из имеющихся) должны быть соединены. Смотрим два примера

4) Питание. Один цвет одного светодиода при максимальной яркости кушает 20 миллиампер. В одном светодиоде три цвета, итого 60 мА на диод. Пусть у вас есть метр ленты с плотностью 60 диод/метр, тогда 60*60 = 3.6 Ампера при максимальной яркости (белый цвет), соответственно нужно брать БП, который с этим справится, но заранее подумать, в каком режиме будет работать лента. Если это режимы типа «радуга», то мощность можно принять как половину от максимальной.

5) Продолжая тему питания, хочу отметить важность качества пайки силовых точек (подключение провода к ленте, подключение этого же провода к БП), а также толщину проводов. Как показывает мой опыт, брать нужно провод сечением минимум 1.5 квадрата, если нужна полная яркость. Пример: на проводе 0.75 кв.мм. на длине 1.5 метра при токе 2 Ампера падает 0.8 вольта, что критично для 5 вольт питания. Первый признак просадки напряжения: заданный программно белый цвет светит не белым, а отдаёт в жёлтый/красный. Чем краснее, тем сильнее просело напряжение!

6) Мигающая лента создаёт помехи на линию питания, а если лента и контроллер питаются от одного источника – помехи идут на микроконтроллер и могут стать причиной нестабильной работы, глюков и даже перезагрузки (если БП слабый). Для сглаживания таких помех рекомендуется ставить электролитический конденсатор 6.3В ёмкостью 470 мкФ (ставить более ёмкий нет смысла) по питанию микроконтроллера, а также более “жирный” конденсатор (1000 или 2200 мкФ) на питание ленты. Ставить их необязательно, но очень желательно. Если вы заметите зависания и глюки в работе системы (Ардуино + лента + другое железо), то причиной в 50% является как раз питание.

7) Слой меди на ленте не очень толстый, поэтому от точки подключения питания вдоль ленты напряжение начинает падать, чем больше яркость, тем больше просадка. Если нужно сделать большой и яркий кусок ленты, то питание нужно дублировать медным проводом 1.5 (или больше, надо экспериментировать) квадрата через каждый метр.

КАК ДЕЛАТЬ НЕЛЬЗЯ

Как мы уже поняли, для питания ленты нужен источник 5 Вольт с достаточным запасом по току, а именно: один цвет одного качественного светодиода на максимальной яркости потребляет 0.02 А (20 мА), соответственно весь светодиод – 0.06 А (60 мА) на максимальной яркости. У китайцев есть “китайские” ленты, которые потребляют меньше и светят тускло. Я всегда закупаюсь в магазине BTF lighting (ссылки в начале статьи), у них ленты качественные. Я понимаю, что порой очень хочется запитать ленту напрямую от Ардуино через USB, либо используя бортовой стабилизатор платы. Так делать нельзя. В первом случае есть риск выгорания защитного диода на плате Arduino (в худшем случае – выгорания USB порта), во втором – синий дым пойдёт из стабилизатора на плате. Если всё-таки очень хочется, есть два варианта:

• Не подключать больше количества светодиодов, при котором ток потребления будет выше 500 мА, а именно 500/60 ~ 8 штук
• Писать код на основе библиотеки FastLED, где можно ограничить ток специальной функцией. НО! В случае отключения пина Din от источника сигнала есть риск случайного включения ленты, и никакие софтварные ограничения не спасут от выгорания железа

Вы наверное спросите: а как тогда прошивать проект с лентой? Ведь судя по первой картинке так подключать нельзя! Оч просто: если прошивка не включает ленту сразу после запуска – прошивайте. Если включает и есть риск перегрузки по току – подключаем внешнее питание на 5V и GND.

ОТ ЧЕГО ПИТАТЬ ЛЕНТУ?

Самый простой и понятный вариант – мощный блок питания на 5 Вольт. Если рядом есть источник постоянки 12 Вольт – можно взять понижайку и настроить её на 5 Вольт. Но часто возникает желание сделать “беспроводной” девайс с бортовым источником питания. Как быть в этом случае? Согласно даташиту на WS2812b светодиод будет работать от напряжения 3.5-5.5 Вольт, собственно как и сама Arduino. Помним, что при питании ленты от напряжения ниже 5 Вольт будет уменьшаться максимальная яркость. Отсюда имеем следующие варианты:

• Powerbank 5V – берём провод с USB штекером и подключаем по схемам выше. Через Ардуино не питаем, нельзя. Ёмкость паурбанков очень высокая, сами знаете. По току обычно можно снять 2 Ампера, есть паурбанки на 3 А
• Батарейки – можно взять обычные АА батарейки, 3 штуки полностью заряженных (дадут 4,5 Вольт), либо 4 штуки чуть разряженных (дадут 5.5 Вольт). Ёмкость батареек очень небольшая. По току можно снять 1-2 Ампера (алкалин, литий. Солевые сразу в помойку)
• Никелевые аккумуляторы – имеют напряжение ~1.4В после зарядки, можно смело поставить 4 штуки (~5.5 Вольт). Ёмкость сборки весьма достойная (до 2700 ма*ч), по току можно снять 2-3 Ампера
• Литиевые аккумуляторы – напряжение в процессе разряда меняется с 4.2 до 3.0 Вольт, значит ленту можно питать, но светить будет на 10-30% менее ярко. Также нельзя забывать следить за напряжением, литий боится переразряда. Ёмкость – параллельно можно поставить много банок, по току – с обычных банок можно снять 3 Ампера (если стоят в параллель – то с каждой)
• Литиевый акум + повышайка – отличный способ сохранить полную яркость при небольшом количестве светодиодов, у китайцев есть куча повышаек с лития (3-4.2В) до 5 Вольт с максимальным током до 2 Ампер. Считай тот же powerbank, но можно более компактно разместить

ПОЧЕМУ НЕ РАБОТАЕТ?!

• Убедись, что земля ленты соединена с землёй ардуино КАК НА СХЕМЕ

• Убедись, что сигнальный провод идёт в начало ленты (контакт DI) КАК НА СХЕМЕ

• Убедись, что не перепутал 5в и GND. КАК НА СХЕМЕ

• Цвет отдаёт в красный? У тебя слабый БП, некачественная пайка линии питания или слишком тонкие провода питания

• Подключил без резистора и теперь не работает даже с резистором? Пин ардуино отбросил ласты, подключай в другой

WS2811 и WS2812b

Сейчас популярны два вида ленты: на чипах WS2812b и WS2811. В чём же разница? Чип WS2812 размещён внутри светодиода, таким образом один чип управляет цветом одного диода, а питание ленты – 5 Вольт. Чип WS2811 размещён отдельно, и от него питаются сразу 3 светодиода, таком образом можно управлять цветом сегментов по 3 диода в каждом. А вот питание у ленты на WS2811 составляет 12 вольт!

Подключение ленты WS2811

Если вы вдруг купили ленту на чипах WS2811 (12-вольтовую версию), подключить её можно вот по этим двум схемам. Но следует помнить, что в прошивке нужно указать втрое меньшее количество светодиодов, так как каждый чип на этой ленте управляет тремя диодами, задаёт им один и тот же цвет!

УПРАВЛЕНИЕ С ARDUINO

ВНИМАНИЕ! Во время загрузки и выполнения этого примера должно быть подключено внешнее питание! Иначе выгорит защита по току (диод) на плате Ардуино!

Для управления лентой можно выделить три библиотеки: FastLED, Adafruit NeoPixel и LightWS2812, из всех трёх рекомендую FastLED. Ниже привожу пример кода, который сначала показывает 3 цвета ленты на одном куске, плавно включая диоды. А потом ещё 3 цвета. Ну и ещё что-то, смотрите скетч.

ПРИМЕР 1

#define PIN 13        // пин DI  #define NUM_LEDS 16   // число диодов    #include "Adafruit_NeoPixel.h"  Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUM_LEDS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);    void setup() {    strip.begin();    strip.setBrightness(50);    // яркость, от 0 до 255      strip.clear();                          // очистить    strip.show();                           // отправить на ленту  }  void loop() {    // заливаем трёмя цветами плавно    for (int i = 0; i < NUM_LEDS / 3; i++ ) {   // от 0 до первой трети      strip.setPixelColor(i, 0xff0000);     // залить красным      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(100);    }      for (int i = NUM_LEDS / 3; i < NUM_LEDS * 2 / 3; i++ ) {   // от 1/3 до 2/3      strip.setPixelColor(i, 0x00ff00);     // залить зелёным      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(100);    }      for (int i = NUM_LEDS * 2 / 3; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // от 2/3 до конца      strip.setPixelColor(i, 0x0000ff);     // залить синим      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(100);    }      delay(1000);      // заливаем белым    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // всю ленту      strip.setPixelColor(i, 0xffffff);     // залить белым      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(10);    }      delay(1000);      // заливаем чёрным    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // всю ленту      strip.setPixelColor(i, 0x000000);     // залить чёрным      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(10);    }    delay(1000);      // включаем случайные диоды жёлтым    for (int i = 0; i < 50; i++ ) {         // 50 раз      strip.setPixelColor(random(0, NUM_LEDS), 0xffff00);     // залить жёлтым      strip.show();                         // отправить на ленту      delay(500);    }  }

Пример с бегущей радугой

ПРИМЕР 2

// пример с "бегущей радугой" для библиотеки FastLED    #define NUM_LEDS 144  #include "FastLED.h"  #define PIN 6  CRGB leds[NUM_LEDS];  byte counter;    void setup() {    FastLED.addLeds(leds, NUM_LEDS).setCorrection( TypicalLEDStrip );    FastLED.setBrightness(50);    pinMode(13, OUTPUT);  }    void loop() {    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {         // от 0 до первой трети      leds[i] = CHSV(counter + i * 2, 255, 255);  // HSV. Увеличивать HUE (цвет)      // умножение i уменьшает шаг радуги    }    counter++;        // counter меняется от 0 до 255 (тип данных byte)    FastLED.show();    delay(5);         // скорость движения радуги  }

НЕКОТОРАЯ ИНФА

• Цвет кодируется 3-мя байтами, то бишь глубина его составляет 24 бита. У нас есть три цвета, каждый кодируется числом от 0 до 255, итого имеем 256*256*256 = 16 777 216 цветов, 16.8 миллионов оттенков может принимать КАЖДЫЙ светодиод в ленте. Цвета при программировании задаются в шестнадцатеричной кодировке вида 0xFFFFFF. Сам цвет здесь задаётся тремя байтами: красный зелёный синий, красный будет FF0000, синий 0000FF, зелёный 00FF00, то есть у каждого цвета есть яркость, которая задаётся шестнадцатеричным числом от 00 до FF. Например бледно жёлтый будет вот так 555500. При использовании библиотеки FastLED вам доступна куча преднастроенных цветов, их названия и коды можно посмотреть здесь.

  Надыбать коды цветов можно здесь http://getcolor.ru/

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

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

Первым идет WS2801

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

WS2801.pdf — Даташит

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.

WS2811.pdf — Даташит

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.

WS2812.pdf — Даташит

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)

WS2812B.pdf — Даташит

Еще существует WS2812D (аналог PD9823)

Это полностью WS2812B но в корпусе обычного 8мм светодиода.

WS2812D.pdf — даташит

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:

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

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.

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 81 250 times, 30 visits today)Уже несколько лет на рынке светотехники можно встретить такие названия, как: «smart led strip», «smart led pixel» и подобные. Как правило, «умный пиксель» — это сборка из миниатюрного 3-х канального светодиодного драйвера (с интегрированным стабилизатором тока, PWM модулятором и сдвиговым регистром), подключенная к RGB светодиоду. На базе таких пикселей многие производители выпускают «умные» гибкие светодиодные ленты, LED «гвозди» и LED кластера. Также можно встретить такие модели чипов, как WS2812, WS2813, с интегрированным LED драйвером непосредственно в корпус 5050 RGB светодиода. Малые габариты, большое количество последовательно включенных пикселей (более 1000 шт.), простота управления по 1(2) проводу и сравнительно низкая стоимость решения — более чем оправдывают их применение. Эта моя первая публикация на Хабре, в которой я хочу донести мой опыт использования и обозначить недостатки таких пикселей. За несколько последних лет я успел поработать со следующими LED драйверами: LPD6803, WS2801, WS2811, WS2812(B), TM1903, UCS1903, TM1804, TM1803, SM16716 и другими менее ходовыми. В интернете часто можно встретить такой термин как «светодиодная лента с пиксельной адресацией» — я с этим совершенно не согласен, и это является первым ограничением. Информация в такие ленты/пиксели загружается по последовательному каналу, а именно через сдвиговые регистры с 24-х битной разрядностью (как правило), т.е. 3 канала по 8 бит для RGB. Никаких адресов такие LED пиксели не помнят и работают исключительно по последовательному принципу. Отсутствие сигнала управления на линии данных или синхронизации (если таковая есть), служит командой для преобразования значений в регистрах в PWM сигналы для RGB светодиодов. По этой причине, при выходе из строя информационного канала одного из пикселей, последующие пиксели перестанут корректно работать. Многие неопытные LED «рекламисты» наступили на эти грабли, применяя такие пиксели для уличных экранов. Рисунок ниже демонстрирует «битые» полоски.Второе ограничение связанно с температурой использования. В большинстве случаев у пикселей, что управляются только по одному проводу «DATA», к примеру, WS2812B — нижняя температура использования -25 градусов. На практике, часто от -15 градусов. Это связанно с отсутствием хорошего кварцевого блока регенерации сигнала внутри чипа. Таким образом, при низких температурах пиксель перестает корректно работать, наблюдаются «сверчки» и т.п. до полного отсутствия картинки. Другое дело — чипы с синхронизацией: WS2801, LPD6803, к примеру. Здесь имеется хорошая регенерация сигналов по уровням, по времени — регенерация не нужна, поскольку имеется линия синхронизации. Рабочая температура в этом случае от -40 градусов. Но и стоят эти чипы вдвое дороже. Третье ограничение — глубина цвета. Рисунок ниже демонстрирует экраны собранный на чипах WS2801. Не вооруженным глазом заметно, что экран с фоном засвечен. Низкие уровни градиента «умные пиксели» (WS2812, WS2801 и т.п. практически все) не способны воспроизводить так, как это делают современные экраны. Это связанно с низкой разрядностью интегрированного в чип PWM генератора (всего 8 бит на канал) и как следствие – отсутствие полноценной гамма коррекции. Проще говоря, светодиод светит слишком ярко, когда хочется совсем чуть-чуть и ничего с этим нельзя поделать. Ощутимым минусом, во всяком случае для меня, было отсутствие хорошего софта подготовки и конвертирования анимации, непосредственно для вывода на «железки». Это явилось четвертым ограничением. Поначалу я использовал софт «LedEdit». «LedEdit» обеспечивает возможность создания и редактирования видео анимации, захвата и последующего конвертирования на «железо». Но использовать этот софт я могу только совместно с их контроллерами. Также я выявил большие недостатки софта «LedEdit» в плане качества видео захвата и стабильности обработки кадров. Поскольку в этой теме я был очень заинтересован и обладал неплохими знаниями в области программирования, в том числе микроконтроллеров, я написал свой «граббер» видео с последующей конвертацией на «пиксели». Идею объединить в одной программе возможности создания и конвертирования анимации я сразу отложил, поскольку это не профессиональный подход. Анимацию нужно создавать и редактировать в специализированных программах, к примеру, я выбрал FREE программное обеспечение «Jinx!». На выходе ПО «Jinx!» можно получить открытый бинарный файл *.out представляющих битовое представление данных прямоугольной матрицы из пикселей для каждого кадра. Теперь дело остается за немногим: сопоставить прямоугольную матрицу из данных для каждого кадра с реальным расположением «умного пикселя» на пиксельном поле и произвести граб анимации. Так у меня родилось FREE программное обеспечение «LS Terminal». Сейчас ПО «LS Terminal» позволяет работать с большинством видео форматов *.avi, *.flv и д.р., использовать десятки портов, качественно обрабатывать видео захват для десятков тысяч «умных пикселей» расставленных по полю пользователем. Для обработки и визуализации видео я использовал библиотеки OpenCV и OpenGL. Выгрузку данных на «умные пиксели» осуществляю посредством микроконтроллера, который считывает данных с SD карты. В целом, я привел все основные недостатки «умных пикселей» и если их вынести за скобки, то мы можем увидеть десятки тысяч реализованных проектов. Вот некоторые из них выполненные с помощью моего граббера видео: — для LED костюмов: — WS2815 VS WS2813 — APA102 vs SK9822 — Барабанное шоу — в этом объекте несколько тысяч «умных пикселей» WS2801:Используемые источники:

• https://alexgyver.ru/ws2812_guide/
• http://www.getchip.net/posts/119-umnye-svetodiody-ws2812b-neopixels/
• https://habr.com/post/305876/