адресная LED-лента

Адресная светодиодная лента и её подключение к Arduino

В отличие от обычной светодиодной RGB-ленты, в которой все светодиоды одинаково реагируют на сигнал с RGB-контроллера, в адресной LED-ленте каждый светодиод получает индивидуальную команду управления. В результате пользователь может максимально точно подбирать оттенок для каждого светодиода, создавать световые эффекты и собирать матрицы с 16 млн цветов. В чём уникальность адресной светодиодной ленты и как научиться ею управлять? Об этом и пойдет речь в данной статье.

Технические характеристики

Адресная светодиодная лента состоит из RGB-светодиодов в SMD корпусе 5050 и микрочипов ШИМ-драйверов. В настоящее время наиболее популярными являются адресные LED-ленты с использованием чипов WS2811 и WS2812B. Модификация WS2811 представляет собой интегральную микросхему (ИМС) в корпусе DIP-8 (9,2х6,4 мм) или SOP-8 (5,1х4,0 мм). Данный 3-канальный драйвер имеет следующую конфигурацию выводов:
распиновка

  • 1 – ШИМ-регулируемый выход (красный);
  • 2 – ШИМ-регулируемый выход (зелёный);
  • 3 – ШИМ-регулируемый выход (синий);
  • 4 – общий;
  • 5 – выход передачи данных;
  • 6 – вход передачи данных;
  • 7 – выбор режима работы;
  • 8 – питание +5В.

В адресной ленте с использованием чипа WS2811 и питанием 5 вольт микросхема драйвера располагается в непосредственной близости перед каждым RGB-светодиодом SMD 5050, рядом с которым также установлены токоограничивающие резисторы и конденсатор, защищающий от помех. Но на сегодняшний момент такие модели устарели и встречаются крайне редко. Сегодня в продаже имеются адресные светодиодные ленты на чипах WS2811 только с питанием от +12 В. В этом случае чип WS2811 управляет не одним светодиодом, а группой из 3 штук. LED-WS2811Не успела ИМС WS2811 обрести популярность, как её место заняла более совершенная WS2812B. Данный тип ШИМ-драйвера намного компактнее и размещается непосредственно в корпусе светодиода SMD 5050. Если присмотреться, то под прозрачным люминофором можно увидеть миниатюрный чёрный прямоугольник с отходящими позолоченными проводниками. LED-WS2812BПодобная унификация позволила значительно упростить сборку адресных светодиодных лент и модулей, а сам WS2812B имеет лишь 4 вывода:

  • 1 – питание (+3,5… +5,3 В);
  • 2 – выход передачи данных;
  • 3 – общий;
  • 4 – вход передачи данных.

ИМС драйвера потребляет не более 1 мкА, а максимальный ток одного адресного светодиода составляет 60 мА. Диапазон рабочих температур: от -25 до +80°C.

При выборе адресной светодиодной ленты важным критерием является степень защиты от влаги и пыли. Для использования в уличных условиях подойдут только модели с IP65 и IP67.

Сфера применения

Относительно высокая стоимость светодиодов и лент, собранных на чипах WS2811 и WS2812B, ограничивает их область применения в сравнении с обычными LED-лентами. Главным образом их используют для решения таких задач, с которыми обычной светодиодной ленте не справиться:

  • для сборки полноцветных модулей;
  • в конструировании светильников, управляемых по принципу «soft lights»;
  • в качестве декоративной подсветки чего-либо;
  • в построении LED-видео экранов, используемых в уличной рекламе и шоу-бизнесе.

Интерес к адресной светодиодной ленте среди радиолюбителей вызван тем, что на её основе можно собрать подсветку, которая будет изменять цвет и яркость по заданному алгоритму.

Как это работает?

Адресная лента WS2812B поделена на сегменты, в каждом из которых расположен светодиод и конденсатор (для повышения помехоустойчивости). Относительно напряжения питания все они между собой подключены параллельно, то есть +5 В будет присутствовать на каждом сегменте. А вот передача данных осуществляется последовательно: от предыдущего сегмента к последующему. Поэтому при выходе из строя одного из светодиодов цепи все следующие сегменты перестанут светиться.

Управление готовыми устройствами и модулями на базе WS2812B производится с помощью специализированного контроллера, внутри которого записана программа. На радиолюбительском уровне управлять работой адресной светодиодной ленты удобней всего через Arduino, используя для этого небольшую программу – скетч.

Схема подключения к Arduino

У каждой адресной ленты есть начало и конец, которые нельзя менять местами во время сборки схемы. Чтобы не запутаться, производители используют условные обозначения, например, стрелки, указывающие направление сигнала. Подключение адресной светодиодной ленты WS2812B к Arduino производится по трём проводам, как показано на рисунке. схема подключенияКонтакты питания +5V и GND соединяют с соответствующими выводами на плате Arduino. Если подсоединяемый отрезок насчитывает более 13-ти светодиодов, то необходимо использовать выносной блок питания. При этом общий провод (GND) Arduino и «минус» блока питания должны быть соединены между собой. Контакт DIN (digital input) предназначен для приёма данных от контроллера и электрически соединяется с любым из его цифровых портов. С другой стороны адресной ленты (и каждого сегмента тоже) размещено 3 контакта: +5V, DO (digital output) и GND, к которым можно подключить ещё несколько отрезков разной длины.

Так как каждый элемент WS2812B фактически состоит из 3 светодиодов (синего, красного, зелёного), то для управления его свечением потребуется 3 байта (по одному на каждый цвет). В свою очередь, каждый байт может принимать значение от 0 до 255, в результате чего можно задать более 16,5 млн оттенков. Размер скетча будет равен количеству светодиодных сегментов, умноженному на 3. Передача данных происходит следующим образом:

  1. ШИМ-драйвер WS2812B первого сегмента забирает из посылки первые 3 байта, пропуская остальные данные на выход DO.
  2. Далее следует пауза длиною до 50 мкс, означающая, что второй по счёту драйвер должен принять следующие 3 байта. И так далее. Длительность паузы больше 50 мкс означает конец передачи и повторение цикла.

Для работы с адресными лентами и модулями проще всего использовать библиотеки FastLED и Adafruit NeoPixel. Внутри каждой библиотеки есть готовые скетчи, на основе которых несложно научиться самостоятельно создавать новые световые эффекты. Чтобы скетч заработал с первого раза, необходимо в заголовке правильно указать количество светодиодов в ленте (NUM_LEDS) и номер порта для передачи данных (PIN).