Адресная светодиодная лента что это такое

Виды адресной светодиодной ленты

Статья о видах адресных лент, различных чипах, разнице между ними. В этой статье мы рассмотрим такие вопросы как:

• Разница между обычной и адресной лентой.

• Разница между чипами WS2812b и WS2811

• Разница между чипами WS2812, WS2813, WS2815 и WS2818

• Принцип работы адресной светодиодной ленты,

• Как подключить адресную светодиодную ленту к Arduino?

1. Немного об обычной RGB ленте.

RGB (Red, Green, Blue) лента — это разноцветная светодиодная лента с четырьмя контактами: R, G, B и +. Для управления этой лентой используется контроллер, который «решает» какое напряжение подать на какой канал в зависимости от цвета, который вы выбрали. Если он, например, подаст питание поровну на «синий» и «зеленый» канал, мы должны увидеть желтый. В основном RGB ленты делают на основе диодов 2835 и 5050. Однако SMD 2835 — лишь симуляция RGB, в которой красный, синий и зеленый диод чередуются и якобы получается RGB. Внешне это очень напоминает обычную гирлянду (см картинку ниже).

Лента RGB 2835

5050 при включении «белого» режима.

Лента SMD 5050 более современна. Внутри каждого диода совмещены красный, зеленый и синий кристаллы. Контроллер подает большее или меньшее напряжение на соответствующий канал в зависимости от команды, и в итоге диоды могут светить не только красным-синим-зеленым, но и их смешением: розовым, оранжевым, фиолетовым и т.д.

2. Разница между обычной и адресной лентой.

Если лента 5050 такая современная, зачем нужны адресные ленты? Самая главная проблема обычной ленты в том, что у нее все диоды одинаково реагируют на сигналы контроллера. Выбрали оранжевый — контроллер подал питание на соответствующие каналы и вся лента начала светить оранжевым. Выбрали красный — вся лента загорелась красным и т.д. Никаких эффектов «бегущей волны», эквалайзера, разных бегающих друг за другом цветов не получится.

Адресная лента решает эту проблему. Она считается «умной», т.к. управляется не просто через изменение напряжения на контактах. В ней для каждого светодиода установлен свой микроконтроллер (например, чип ws2812b). Это позволяет при помощи контроллера или платы ардуино передать каждому диоду отдельную команду регулируя его цвет и яркость. В конечном итоге можно создать очень интересные эффекты, целые световые шоу и даже собственный экран!

3. Чем отличаются WS2811 и WS2812

Какая разница между адресной лентой WS2811 от WS2812b и что из них лучше? Попробуем разобраться. Визуально WS2811 от WS2812 можно отличить по размерам самого чипа (см фото ниже). У ленты WS2811 этот чип большой, размером почти с сам диод, ставится через каждые три светодиода. Чип ленты WS2812b маленький, едва различимый и выглядит он как черная точка на диоде. Устанавливается чип ws2812b в каждый светодиод (то есть их количество в три раза больше, чем на ленте WS2811, но мы к этому еще вернемся).

Помимо визуальных различий адресная лента WS2812b отличается от WS2811 и по характеристикам:

Напряжение: Как указанно выше, лента WS2812 имеет рабочее напряжение 5 вольт, а WS2811 — 12 вольт. В плане подключения 12в удобнее и проще (проще найти блоки питания), но зато рабочее напряжение 5v идеально подходит для работы с Arduino.

Кратность управления: У ленты WS2811 один пиксель равен трем диодам, это значит, что управление происходит по три диода сразу. Это смазывает анимацию, делает ее более «дерганной». Однако, если наблюдатель находится на некотором расстоянии (например не ближе чем несколько метров), то разницы практически не видно. В отличие от WS2811 WS2812 управляет каждым диодом по отдельности, что более приятно смотрится особенно вблизи.

Кратность резки: Лента WS2812b режется кратно одному диоду, а WS2811 — кратно трем. Это напрямую связанно с кратностью управления.

Скорость передачи сигнала: Чип WS2812b в несколько раз быстрее реагирует на команды, что делает анимацию более плавной. Это особенно важно, когда лента интерактивна (например, используется для цветомузыки, или для сенсорного стола как у канала Лихой топор).

Цена: Самая дорогая часть адресной ленты — это ее микроконтроллер (чип). В случае с WS2811 для работы 1 метра ленты с 60 диодами на метр требуется 20 чипов (по 1 на каждые 3 диода), а в случае с WS2812b — 60 чипов (1 диод = 1 чип). Это приводит к тому, что лента WS2812b более дорогая в пересчете на метр, чем WS2811. Примечательно, что если считать цену за 1 чип, то получится, что WS2812b даже дешевле своего предшественника.

Ws2811 (слева) и ws2812b (справа).

Благодаря дешевизне ленту WS2811 на 12v до сих пор часто ставят в клубы, на фасады зданий и сцены для масштабных световых шоу. Тем не менее, если вам важна большая четкость анимации, или расстояние от ленты до наблюдателя небольшое, то лучше использовать более совершенную модель WS2812В.

4. Разница между WS2812b, WS2813, WS2815 и WS2818

Несмотря на то, что WS2812b — одна из самых популярных адресных лент на рынке, у нее есть два существенных недостатка: низкое напряжение и один канал данных (один канал данных и у ленты WS2811). Напряжение 5V очень неудобно, когда нужно подключить больше 5 — 10 метров. Это связанно с падением и без того низкого напряжения. Один канал данных DAT приводит к тому, что при повреждении этого канала на любом отрезке ленты вся дальнейшая линия отключится. То есть если, например, ударить по светодиоду WS2812b молотком (хотя зачем это делать?), то вся лента после этого диода отключится.

Чипы WS2813, WS2815 и WS2818 предлагают решение одной или обеих этих проблем.

В отличие от WS2812b у WS2813 два канала данных: основной и дополнительный и в каждом диоде они дублируются. То есть, если у вас повредился один диод, то следующие будут продолжать работать. Это делает адресную ленту WS2813 более надежной, что очень важно, если вам в случае проблем будет не легко достать и починить / заменить ленту. Например, когда лента вмонтирована в натяжной потолок. Также WS2813 может похвастаться еще более быстрой передачей данных. Однако у ленты WS2813 все то же «неудобное» в некоторых случаях напряжение 5V.

Адресная лента WS2815 — одна из самых совершенных из представленных на рынке, ее рабочее напряжение 12V и есть дополнительный канал данных. Таким образом она решает обе основные проблемы WS2812b. Ее удобно монтировать и она почти никогда не ломается.

Однако из-за высокой стоимости WS2815 используется, в основном, для коммерческих проектов, где важна стабильность работы и где требуется подключать в линию много ленты.

Чип WS2818 также работает от напряжения 12V и обладает дополнительным каналом данных. Кроме того адресная лента WS2818 стоит дешевле, чем WS2813 или WS2815. Ее главным изъяном является то, что она управляется кратно трем диодам (как WS2811). Это сужает потенциальный круг использования. Обычно лента WS2818 применяется на улице или там, где наблюдатель не будет находиться вплотную к ленте (потому, что анимация выглядит более «смазанной»). Отсюда и меньшая стоимость: меньше чипов — дешевле лента.

5. Принцип работы адресной светодиодной ленты

Адресная лента поделена на сегменты по одному пикселю (чипу), каждый из которых имеет повышающий помехоустойчивость конденсатор. Все светодиоды питаются от сети параллельно, то есть на каждом отрезке свои +5В/+12V, в то время как передача данных осуществляется последовательно, от одного участка другому. Именно поэтому, как уже говорилось выше, если у адресной ленты ws2811 и ws2812b выходит из строя один светодиод, то все последующие перестают работать.

Еще одной важной особенностью адресной ленты является то, что проверить ее работоспособность на месте без контроллера невозможно. Без команды чип не включит диод даже если вы подадите питание. Варианта тут два: либо заказывать ленту сразу с контроллером, либо прийти проверять ее со своим. Тем не менее, брак у этой ленты встречается крайне редко (меньше, чем на 1 из 1000 метров), и в случае брака наш магазин меняет ленту без проблем (о таких случаях можно найти отзывы как у нас на сайте, так и на других площадках). Обычно адресная лента управляется при помощи готовых контроллеров, на которых записана программа либо с использованием плат Ардуино, Wemos и т.д.

Как видно на фото выше, адресная лента имеет направление, то есть начало (DIN, +5V/+12V, GND) и конец (DO, +5V/+12V, GND). Направление указано стрелками, чтобы проще было ориентироваться. Подключать необходимо начало ленты (с той стороны откуда идет стрелочка), то есть DIN, иначе лента работать не будет. Коннектор со стороны DO (Data output) используется, чтобы подключить следующий отрезок ленты. Дополнительный канал данных у ленты WS2813, WS2815, WS2818 можно не подключать к контроллеру, на работоспособность это не повлияет (т.к. начиная с первого диода данные будут дублироваться на оба канала данных).

6. Подключение адресной светодиодной ленты к Arduino.

Arduino – это плата с микроконтроллером, которая позволяет управлять светодиодами в зависимости от загруженной в нее программы. Обычно для работы с Ардуино используется лента напряжением 5V, то есть WS2812b или WS2813.

• +5V и GND параллельно подключаются к блоку питания и к Arduino, а контакт DIN — через резистор к Arduino. Сопротивление резистора должно быть 100-500 ом.
• Провода для подключения ленты лучше брать сечением 1.5 квадрата и выше. Это связанно с падением напряжения, которое весьма ощутимо при работе с низковольтным оборудованием. Особенно это актуально, если у вас расстояние от блока до ленты и контроллера больше метра. Чем длиннее расстояние — тем толще нужны провода.
• К контроллеру / плате arduino обязательно нужно подключить не только контакт данных DIN, но и GND. В противном случае лента работать не будет.
• Если у вас в линии более пяти метров ленты, рекомендуется подвести к ней питание напрямую от блока питания. Это связанно с тем же падением напряжения. Благо в начале ленты всегда выведены два дополнительных контакта питания. (см. белый и синий провод на фото выше)

Наиболее популярные библиотеки для работы с адресными лентами — FastLED и Adafruit NeoPixel, внутри которых уже есть готовые скетчи, а также на их основе можно самостоятельно создать световые эффекты. Для успешного творчества важно запомнить два параметра: NUM_LEDS — количество светодиодов в ленте и PIN – номер порта для передачи данных (к которому мы подключили контакт DIN). В Adafruit это выглядит так:

6. Сферы применения.

Адресные светодиодные ленты стоят дороже обычных LED-лент, поэтому чаще всего их устанавливают там, где обычная подсветка не справляется.

• Яркие полноцветные модули для светодиодных табло и видеовывесок.

• Светильники, управляемые по принципу soft lights, что в дословном переводе значит «мягкий свет». Это плавный переход от цвета к цвету или между режимами яркости.

• Декоративная подсветка. Яркие, насыщенные адресные светодиодные ленты создают не только необходимую иллюминацию, но и служат в качестве динамичной подсветки, например, в такт музыке или просто в определенном заданном режиме.

• Привлекающая внимание реклама или светодиодные инсталляции на концертах и выставках.

Это лишь основные сферы применения. Адресная светодиодная лента широко распространена и на бытовом уровне: в качестве подсветки автомобилей, аквариумов, новогоднего украшения и дизайна помещений. Если вы планируете реализовать проект с адресной лентой, то в нашем магазине вы можете купить адресную ленту ws2812b, ws2813, ws2815 и других видов !

Arduino и адресная светодиодная лента

Адресная светодиодная лента, в отличие от обычной RGB, позволяет управлять цветом и яркостью каждого своего светодиода. Благодаря этому на ней можно отображать различные интересные эффекты, как статические, так и динамические. Сама по себе лента ничего не может, поэтому генерацией эффектов занимается микроконтроллер (или плата на его основе, например Arduino). Более подробно про виды адресных лент можно прочитать в моей статье.

В наборе GyverKIT есть 1 метр адресной светодиодной ленты WS2812b. При желании ленту можно докупить в том же магазине, где продаётся набор – Giant4.

Подключение

• GND ленты соединяется с GND микроконтроллера, так как все сигналы ходят относительно “земли”
• У любого отрезка ленты есть вход, а есть выход: у входа средний пин называется DI, а у выхода – DO. К Arduino подключается именно вход ленты, то есть пин DI
• DI подключается на любой цифровой пин. Если лента питается отдельно от Arduino – DI нужно подключать через резистор 100-500 Ом, чтобы избежать питания ленты через пин, что приведёт к выходу из строя пина Arduino или первого светодиода в ленте. Лучше ставить резистор в любом случае, чтобы исключить такую возможность
• 5V ленты подключается к питанию. Питание может быть общим с Arduino
• Лента потребляет большой ток, поэтому питать её от Arduino, подключенной к USB – нельзя. В наборе GyverKIT есть сетевой адаптер на 5V, ленту нужно питать от него

В рассмотренных выше схемах Arduino питается от USB. Для работы от адаптера можно подключить питание с него на пин 5V платы:

При наличии на ленте штекера можно подключать управление и питание следующим образом:

Примечание:

• Ленту можно питать напрямую от Arduino (при подключении к USB), если ток потребления не будет превышать 500 мА. В библиотеке FastLED можно настроить программное ограничение тока: FastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(5, 500); – 5V 500mA
• Ленту можно подключать без резистора, если исключена возможность наличия сигнала на ленту без подключенного питания, т.е. когда лента питается от одного источника с микроконтроллером

При работе с Wemos есть особенность: у него логический уровень 3.3V, чего не всегда хватает для передачи сигнала на ленту. При возникновении “артефактов” в эффектах можно подключить питание по следующей схеме: питать Wemos через диод (есть в наборе GyverKIT):

Библиотеки

Самой функциональной и известной библиотекой является FastLED, можно установить через диспетчер библиотек по названию FastLED. В библиотеке ОЧЕНЬ много возможностей, см. официальную вики-документацию, а также полный список модулей, классов и функций.

Примечание для esp8266: на версии ядра 3.0.x первый светодиод на ленте самопроизвольно мигает, ставьте ядро версии 2.7.4

Как работать с FastLED

Коротко рассмотрим как работать с библиотекой FastLED и самые основные инструменты.

Логика работы с адресной лентой сводится к следующему: лента представляется в виде одномерного массива, каждый элемент – светодиод, точнее его цвет. Цвет светодиода кодируется тремя байтами, то есть 256 значений на каждый канал: красный, зелёный, синий. В программе можно производить различные манипуляции с этим массивом, то есть задавать цвета светодиодам при помощи различных инструментов библиотеки. Как только построение “кадра” закончено – массив можно отправить на ленту и светодиоды включатся соответственно заданным цветам.

Для начала обозначим константами длину ленты и пин, к которому она подключена, просто чтобы проще было редактировать программу в дальнейшем:

#define LED_PIN 5 // пин #define LED_NUM 50 // количество светодиодов

#include "FastLED.h"

Создаём массив цветов, он имеет тип данных CRGB . Размер – сколько светодиодов в ленте, то есть наша константа. Пусть массив будет глобальным, чтобы доступ к нему был у всей программы:

CRGB leds[LED_NUM];

В блоке setup нам нужно передать в библиотеку информацию о подключенной ленте, а также подключить созданный выше массив. Чтобы программа знала, откуда брать информацию о цветах. По порядку указывается тип ленты, пин, порядок цветов. В круглых скобках – имя нашего массива, а также его размер – длину ленты:

void setup() < FastLED.addLeds< WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, LED_NUM); >

Отлично! Всё настроено и готово к работе.

Общие функции

Помимо задания цветов в массиве, существуют следующие управляющие функции:

• FastLED.show() – выводит массив на ленту, т.е. обновляет её текущими цветами
• FastLED.clear() – очищает ленту, буквально обнуляет все цвета в массиве, задаёт “чёрный” цвет. Для применения нужно вызвать show()
• FastLED.setBrightness(0-255) – устанавливает яркость всей ленты. Не меняет значения в массиве светодиодов, просто “приглушает” итоговую отображаемую яркость. Для применения нужно вызвать show()
• FastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(вольты, миллиамперы) – включает автоматическое ограничение яркости по настроенному току и напряжению. Полезно для длинных лент и/или слабых блоков питания
• FastLED.showColor(CRGB цвет) – залить всю ленту указанным цветом

Тип данных CRGB

Библиотека организована так, что переменной типа CRGB можно задать значение несколькими способами. Рассмотрим задание цвета первому светодиоду в нашей ленте, то есть элемент массива под номером ноль: leds[0]

leds[0] = 0xFF44DD; // цвет в HEX формате leds[0].setRGB(255, 68, 221); // RGB, 0-255 leds[0].setHSV(224, 187, 255); // HSV, 0-255 leds[0].setHue(224); // Hue из HSV, S и V будут 255 // готовый цвет. весь список тут https://github.com/FastLED/FastLED/wiki/Pixel-reference#colors leds[0] = CRGB::Red;

Подробнее про цветовые модели RGB и HSV можно почитать вот здесь.

Примеры

Итак, с базовыми понятиями разобрались, переходим к практике. Для начала зальём всю ленту статичной радугой. Для этого покрасим светодиоды в цикле, задав цвет от 0 до 255 от первого до последнего светодиода в ленте. Конструкция i * 255 / LED_NUM позволяет получить значения от 0 до 255 при изменении i от 0 до LED_NUM:

#define LED_PIN 5 #define LED_NUM 50 #include "FastLED.h" CRGB leds[LED_NUM]; void setup() < FastLED.addLeds(leds, LED_NUM); FastLED.setBrightness(50); for (int i = 0; i < LED_NUM; i++) < leds[i].setHue(i * 255 / LED_NUM); >FastLED.show(); > void loop()<>

Можно сделать подвижную радугу, это будет уже полноценная анимация. Для этого ленту нужно постоянно обновлять новыми цветами, например 30 раз в секунду. Чтобы плавно менять цвет – добавим к нему счётчик, который будет меняться от 0 до 255 и так по кругу.

#define LED_PIN 5 #define LED_NUM 50 #include "FastLED.h" CRGB leds[LED_NUM]; void setup() < FastLED.addLeds(leds, LED_NUM); FastLED.setBrightness(50); > byte counter; void loop() < for (int i = 0; i < LED_NUM; i++) < leds[i].setHue(counter + i * 255 / LED_NUM); >counter++; // counter меняется от 0 до 255 (тип данных byte) FastLED.show(); delay(30); // скорость движения радуги >

Можно сделать один бегающий светодиод: каждый раз очищать ленту и красить светодиод под номером, который задаётся счётчиком. Изменение счётчика закольцевать от 0 до количества светодиодов:

#define LED_PIN 5 #define LED_NUM 50 #include "FastLED.h" CRGB leds[LED_NUM]; void setup() < FastLED.addLeds(leds, LED_NUM); FastLED.setBrightness(50); > byte counter; void loop() < FastLED.clear(); leds[counter] = CRGB::Red; if (++counter >= LED_NUM) counter = 0; FastLED.show(); delay(30); >

И таких эффектов можно придумать очень много! Займёмся этим уже в блоке проектов

Домашнее задание

• Заставить светодиод бегать “туда и обратно”
• Сделать плавное изменение яркости (от 0 до 255) всей ленты с эффектом радуги

Связанные уроки

• Гайд по ленте
• Вики FastLED
• Документация FastLED

Как работает адресная светодиодная лента?

Наверное этот вопрос «как работает» очень многим покажется глупым. Ответ почти очевиден: адресная светодиодная лента состоит из множества последовательно соединенных «умных светодиодов». Это можно увидеть просто рассматривая устройство ленты. Видны отдельные микросхемы, припаянные к гибкому шлейфу, видны соединения: микросхемы соединены последовательно всего тремя проводами, при этом два из них это питание и земля. Только один провод передает данные о цвете пикселей. Как же это? Что такое «умный светодиод»?

Дальше я расскажу о протоколе передачи данных, используемом в светодиодной ленте на базе WS2812B, и, более того, я почти создам свою «микросхему светодиодной ленты» в микросхеме ПЛИС.

Итак, в ленте используется последовательная передача через один единственный сигнал данных.

Бит ноль передается, как короткий положительный импульс и пауза, которая примерно в два раза шире импульса. Бит единица передается как широкий положительный импульс и короткая пауза:

При отсутствии передачи более 50 микросекунд лента переходит в исходное состояние, готова принимать пиксели начиная с первого.

Каждые 24 бита в последовательности — это 3 байта для трех цветов RGB. Причем на самом деле последовательность будет G-R-B. Старший бит G7 идет первым.

Последовательность из первых 24х бит представляет из себя один пиксель, который получит самый первый светодиод в ленте. Пока первый светодиод не насытится он не передает данные дальше к следующему светодиоду. После того, как первый светодиод получит свою порцию из 24х бит RGB он открывает передачу следующему. Примитивно можно последовательность светодиодов представить, как каскад из кувшинов, последовательно наполняемых водой:

Заполнится первый, потом второй, потом третий и так все по очереди.

Таким образом, я считаю, что с протоколом передачи разобрались.

Можно ли попробовать самому спроектировать такой «умный светодиод»? Практического смысла в этом конечно мало, но для самообразования и расширения кругозора — задача интересная. Попробуем описать логику чипа на языке проектирования аппраратуры Verilog HDL. Конечно, это будет не настоящий дизайн микросхемы, будут ограничения. Одно из самых важных ограничений — мне для моей микросхемы будет нужен внешний тактовый генератор. В настоящем умном светодиоде такой генератор тоже есть, но он встроен уже в чип.

Модуль на Verilog начнем вот так:

module WS2812B( input wire clk, input wire in, output wire out, output reg r, output reg g, output reg b );

Здесь думаю все понятно: тактовая частота clk, входной и выходной сигналы «умного светодиода» in и out, ну и, конечно, выходные сигналы r, g, b через которые я буду управлять реальными внешними светодиодами красным, зеленым и синим.

Входной сигнал я буду захватывать в двухбитный сдвиговый регистр и по текущему состоянию в этих захваченных битах смогу определить начало положительного фронта сигнала in:

reg [1:0]r_in = 0; always @( posedge clk ) r_in ; wire in_pos_edge; assign in_pos_edge = (r_in==2'b01);

Кроме этого, важно определить состояние сброса ленты, когда управляющий контроллер выдерживает паузу перед началом новой передачи:

localparam reset_level = 3000; reg [15:0]reset_counter = 0; always @( posedge clk ) if( r_in[0] ) reset_counter 

localparam fix_level = 50; reg [7:0]bit_length_cnt; always @( posedge clk ) if( in_pos_edge ) bit_length_cnt  

reg pass = 0; reg [5:0]bits_captured = 0; always @( posedge clk ) if( reset ) bits_captured 

always @( posedge clk ) if( reset ) pass 

reg [23:0]shift_rgb; always @( posedge clk ) if( bit_fix ) shift_rgb ; reg [23:0]fix_rgb; always @( posedge clk ) if( bits_captured==23 && bit_fix ) fix_rgb ;

wire [7:0]wgreen; assign wgreen = < fix_rgb[0 ], fix_rgb[1 ], fix_rgb[2 ], fix_rgb[3 ], fix_rgb[4 ], fix_rgb[5 ], fix_rgb[6 ], fix_rgb[7 ] >; wire [7:0]wred; assign wred = < fix_rgb[8 ], fix_rgb[9 ], fix_rgb[10], fix_rgb[11], fix_rgb[12], fix_rgb[13], fix_rgb[14], fix_rgb[15] >; wire [7:0]wblue; assign wblue = < fix_rgb[16], fix_rgb[17], fix_rgb[18], fix_rgb[19], fix_rgb[20], fix_rgb[21], fix_rgb[22], fix_rgb[23] >; reg [7:0]pwm_cnt; always @( posedge clk ) begin pwm_cnt