Нас часто спрашивают о адресной светодиодной ленте (иногда ее называют «умная лента» или «пиксельная лента»).Первое, что большинство людей хотят знать, это то, что делает Адресная светодиодная лента и чем она отличается от стандартной ленты RGB LED. Кроме того, существуют пиксельные светодиодные модули , поэтому люди, естественно, хотят знать, как они работают.
Поскольку растущий ассортимент адресных светодиодных лент становится все более популярным в индустрии развлечений и архитектурного освещения, мы подумали, что сейчас самое время задать некоторые из ваших наиболее распространенных вопросов нашей команде по исследованиям и разработкам и найти ответы на некоторые вопросы экспертов, чтобы помочь вам утолить жажду информации (особенно если вы только начинаете свои приключения по управлению освещением, в таком случае, добро пожаловать на борт!).
Что такое адресная светодиодная лента?
Адресная светодиодная лента – это гибкая печатная плата, которая заполнена разноцветными адресуемыми поверхностными (SMD) светодиодами. Гибкая печатная плата обычно имеет клейкую подложку, что облегчает быструю и простую установку.
В отличие от стандартной ленты RGB, каждый светодиод имеет свою собственную микросхему, которая позволяет управлять им для индивидуальной реакции (например, изменение цвета, выключение и т. Д.). Пиксельная лента все еще может делать все, что может делать стандартная лента RGB… только больше.
Что это такое?
Адресные светодиодные ленты (диодные, пиксельные, LED-ленты, как их иначе называют) – не простой набор светодиодов, выстроенных в ряд или собранных по иной топологии. Каждый диод управляется отдельно и независимо от других. Прототипом ленты является светодиодная матрица, каждый пиксел которой – триада из красного, зелёного и синего светодиодов.
Контроллер в матрице или ленте позволяет светиться каждому из светодиодов с разной яркостью.
Подобно тому, как светодиодно-матричный монитор или дисплей смартфона выдаёт конкретное изображение, адресная лента позволяет организовать эффект «бегущих огней» с любым цветом, включить или отключить отдельно взятые светодиоды на любом из участков и в любой точке.
Принцип работы
Популярность завоевали красно-сине-зелёные светодиодные ленты, позволяющие получить до 16777216 оттенков, которые способен воспринять человеческий глаз. Каждый из светодиодов обладает собственной миниатюрной микросхемой-контроллером, позволяющей задать ему именно тот цвет свечения, который запросил пользователь. Наличие отдельного микроконтроллера возле каждого светодиода, впрочем, ведёт к значительному увеличению стоимости такой ленты.
Общие контакты для подключения ленты – не более 4, но не менее 3. Один общий контакт – «масса» – служит заземлением на корпус драйвера. Второй – подаёт положительное напряжение питания в 5 вольт. Третий (и четвёртый) – посылает программные сигналы от общей платы микроконтроллера.
Адресная лента управляется с помощью цифровых данных. Работа без общего контроллера не даст никаких результатов. В лучшем случае вы получили бы непрерывно светящиеся светодиодные триады, излучающие холодный беловатый (синюшный) свет. Если пользователь пальцем прикоснётся к цифровой шине посылке сигналов, то контроллер примет эту помеху за команду и зажжёт все светодиоды либо несколько из них. Напряжение питания на каждом сегменте составляет 5 или 12 вольт.
Передача управляющего сигнала осуществляется последовательно между всеми сегментами, а не разом. Из-за данной особенности, если вышла из строя одна микросхема, то дальше команда не пойдёт, и последующие светодиоды в этой же цепи не засветятся.
Усложнить алгоритм управления подобными лентами можно, «навесив» в схему управления дополнительные микроконтроллеры.
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:
Кроме этого, важно определить состояние сброса ленты, когда управляющий контроллер выдерживает паузу перед началом новой передачи:
Дальше, от положительного фронта in_pos_edge нужно выдержать некоторую паузу, чтобы получить момент фиксации нового бита:
Количество уже принятых бит в чипе считаем так:
Здесь вводится еще важный сигнал pass, который как раз и определяет перенаправление входного потока на выход. После принятия 24х бит пикселя сигнал pass устанавливается в единицу:
На выход out мультиплексируются входные данные, когда сигнал pass_final в единице.
Ну и, конечно, нужен сдвиговый регистр, где накапливаются принятые 24 бита пикселя:
По приему всех 24х бит они переписываются в итоговый так же 24х битный регистр.
Теперь остается дело за малым. Нужно реализовать ШИМ (Широтно Импульсную Модуляцию) сигнала для передачи яркости реальным внешним светодиодам согласно принятым байтам RGB:
Вот кажется и все.
Остается маленькая деталь — как это все испытать?
Я взял несколько простых плат с ПЛИС MAX II (это платы серии Марсоход) и прошил их все проектом с вот этим Verilog кодом. На платах уже было 8 светодиодов, но они были все желтые. На каждой из плат я заменил 3 светодиода на R, G, B. Платы соединил последовательно и более того подключил их к настоящей светодиодной ленте. Таким образом, я удлинил настоящую ленту своими самодельными светодиодами.
Получилось вот такое соединение:
В реальности это выглядит вот так:
Теперь, подавая на ленту некоторое изображение я вижу, что мои «умные светодиоды» ведут себе точно так же, как и настоящие из ленты:
Получается, что реализованная мною в ПЛИС логика вполне работоспособна! Я смог в первом приближении сделать нечто похожее на реальный чип «умного светодиода».
Вообще, мне нравятся светодиодные ленты. На их основе каждый может изобрести что-то свое: интеллектуальное освещение, экраны, амбилайт эффекты. Однажды я даже реализовал цветомузыку на светодионой ленте под управлением FPGA. Но это уже другая история.
- fpga
- светодиодная лента
- реверс-инжиниринг
- verilog
- FPGA
- Программирование микроконтроллеров
- Схемотехника
Для чего используются адресные светодиодные ленты?
Украшение освещения
Адресные светодиодные ленты могут широко использоваться в КТВ, барах, спортзалах и т.д.
Фасады зданий Освещение
Адресные светодиодные ленты можно использовать на фасадах высотных зданий, на мостах и т.д.
Освещение для особых событий
Адресные светодиодные ленты можно использовать на Рождество, концерты и т. д.
Домашнее освещение
Адресные светодиодные ленты можно использовать для украшения домашней обстановки и создания праздничной и уютной атмосферы.
Тип адресной светодиодной ленты?
Адресные светодиодные ленты делятся на две основные категории: Адресная светодиодная лента DMX512 и Адресная светодиодная лента SPI.
Адресная светодиодная лента DMX512
DMX512 расшифровывается как цифровое мультиплексирование 512. Это означает, что 512 каналов управляются в цифровом виде через 1 кабель передачи данных. DMX512 — это стандарт для сетей цифровой связи, которые обычно используются для управления освещением и эффектами. Первоначально он был задуман как стандартизированный метод управления диммерами сценического освещения, которые до DMX512 использовали различные несовместимые проприетарные протоколы.
Общие модели ИС с адресуемой светодиодной лентой SPI с функцией возобновления точки останова: WS2813, WS2815B, CS2803, CS8812B, WS2818, TM1914, CS8208
Общие модели ИС с адресной светодиодной лентой SPI без функции возобновления точки останова: WS2812B, SK6812, SK9822, APA102, WS2801, WS2811, UCS1903, TM1814, TM1812, CS6816, CS6814, LPD8806
Распространенные модели микросхем с тактовым каналом: SK9822, APA102, WS2801, LPD8806.
Общие модели микросхем без тактового канала: WS2812B, WS2813, WS2815B, SK6812, CS2803, CS8812B, WS2811, WS2818, UCS1903, TM1814, TM1914, TM1812, CS8208, CS6816, CS6814
Скачать спецификацию ИС
Светодиоды Плотность
Плотность светодиодов относится к количеству светодиодов на один метр адресных светодиодных лент. Чем выше плотность светодиодов, тем более равномерный свет, выше яркость и отсутствие световых пятен.
Ранг IP
IP-код или код защиты от проникновения определяется в стандарте IEC 60529, который классифицирует и оценивает степень защиты, обеспечиваемую механическими и электрическими корпусами, от проникновения внутрь, пыли, случайного контакта и воды. Он опубликован в Европейском Союзе CENELEC как EN 60529.
Если вам необходимо установить адресные светодиодные ленты на открытом воздухе, вам необходимо использовать адресные светодиодные ленты со степенью защиты IP65 или выше. Однако для установок, которые погружаются в воду на короткое время, более безопасным будет IP67 или даже IP68.
Как подключить адресную светодиодную ленту?
Прежде чем управлять адресной светодиодной лентой DMX512, вам необходимо использовать «программу записи адреса», предоставленную производителем ИС, для установки адреса dmx512 в ИС DMX512. Вам нужно только один раз установить адрес dmx512, и микросхема DMX512 сохранит данные, даже если питание отключено. Пожалуйста, проверьте, как установить адрес dmx512 видео ниже:
Адресная светодиодная лента с внешней микросхемой SPI
Адресная светодиодная лента с тактовым каналом SPI IC
С функцией возобновления передачи с прерыванием Адресная светодиодная лента SPI IC
Схема подключения адресной светодиодной ленты DMX512
Нажмите здесь чтобы проверить высококачественную схему подключения DMX512 в формате PDF
Адресная светодиодная лента SPI со схемой подключения только канала данных
Светодиодная лента с адресацией SPI и только каналом данных и каналом синхронизации
Адресная светодиодная лента SPI с каналом только данных и каналом возобновления перерыва
Почему не работает? Как исправить?
При неправильном подключении, неисправных элементах или сбоях в эксплуатации с работой подсветки «Бегущий огонь» могут возникнуть проблемы. Найти неисправность часто помогает простое тестирование системы:
- Подсветка не работает сразу после подключения. Возможна неверная полярность подключения, проверьте места всех соединений. Посмотрите, соблюдено ли направление передачи цифрового сигнала. Если все в порядке, возможно, не задан тип микросхемы-драйвера в контроллере. Тогда укажите нужный параметр в меню контроллера или ПО. Стоит также проверить исправность работы контроллера и блоков питания.
- Освещение перестало работать через какое-то время использования. Проверьте исправность работы контроллера и блоков питания.
- Цвет свечения не соответствует выбранному. Это значит, что неправильно заданы настройки контроллера. Задайте последовательность цветов RGB.
- Светятся не все светодиоды, программы выполняются нестабильно. Такая неисправность возможна по разным причинам, поэтому стоит последовательно исключить все из них:
- неправильно задана длина ленты в настройках контроллера – посчитайте общее количество пикселей и введите это значение в настройках контроллера;
- некачественные кабели в цепи передачи цифрового сигнала – замените провода;
- падение напряжения из-за слишком большой длины или недостаточного сечения кабеля в цепи питания платы – уменьшите длину провода или подсоедините кабель с большим сечением;
- слишком длинный кабель в цепи передачи цифрового сигнала – укоротите провод;
- неверный выбор типа микросхемы-драйвера – задайте нужное значение в настройках контроллера или ПО;
- неисправная микросхема-драйвер – замените отрезок платы;
- неправильно соединены контакты GND – проверьте правильность подключения в соответствии со схемой в инструкции.
Чтобы в будущем с SPI подсветкой не возникало проблем, важно также соблюдать требования и рекомендации по эксплуатации. Каждая система рассчитана на свой температурный режим и условия влажности. Помните, что для установки на улице подходят только модификации с классом защиты не меньше ip66. Открытые LED-ленты и подсветка с индексом SE предназначены только для внутреннего использования.
Не допускайте установку «Бегущего огня» рядом источниками тепла: блоками питания, светильниками, лампами. Кроме того, даже при высокой степени защиты от влаги такую подсветку нельзя устанавливать в местах скопления воды, например, в затопляемых нишах и углублениях.
Отличия управляемой и обычной диодной ленты
Для всех подключаются в начале и действуют на все диоды одновременно. Контроллером можно регулировать яркость и цвет диодов, но все лампочки меняют эти показатели одновременно. Адресные диоды предусматривают монтаж чипа управления на каждый элемент или группу. Это позволяет изменить цвет каждой лампы в диапазоне из 256 цветов. Возможности ограничиваются только уровнем конкретного блока управления.
Управляемые ленты часто подключаются к блоку питания на 5 В параллельным методом. Усовершенствованные модели имеют соединение по 3 диода на контроллер – это позволяет использовать питание на 12 или 24 В и увеличить количество светодиодов на метр и длину всей ленты. Статичная лента загорается сразу при включении, но адресная начнет излучать свет только после управляющей команды. Также управляемые ленты имеют начало и конец платы, что учитывается при монтаже и подаче напряжения. Для определения места присоединения у платы бывают специальные стрелки, по направлению которых идет сигнал.
Применение
Учитывая варианты с защитой от пыли и влаги и возможность купить уменьшенные диоды, RGB-ленты используются во многих областях жизни. Так, обычные ленты применяются для освещения рабочих мест, подсветки рекламы, декора зданий для подчеркивания архитектуры в ночное время, при выращивании растений и т. д. Управляемые светодиодные ленты расширяют возможности декора:
- Освещение банкетных залов можно выполнить особенно эстетичным, разделив площадь освещения на разные зоны с отдельными адресными лентами.
- В рекламе управляемые приборы поменяли подход к показу информации – появились пиксельные ленты, на которых строят рекламные экраны или бегущую строку. В этом исполнении контроллер более сложный, однако принцип работы прежний. Каждый диод с личным контроллером получает команды от головного процессора, который с помощью программного обеспечения отображает тексты и даже графические изображения на освещаемой площади.
- RGB-лента также является ключевым инструментом в создании интересного и футуристичного дизайна. Светящиеся натяжные потолки становятся особенностью многих интерьеров.
Для изготовления адресных лент применяют два вида чипов с индексами WS2811 и WS2812B:
- Первый чип ставится на каждый диод, но при этом вся лента работает под напряжением 5 В.
- Чип WS2812B устанавливается для питания одновременно 3 диодов и позволяет подавать на ленту 12 вольт.
Чипы на 12 В достаточно миниатюрные, чтобы их можно было размещать внутри корпуса и размещать значительно плотнее на активной площади. Также на рынке есть чипы WS2818, которые работают под напряжениями от 12 до 24 В.
У первых моделей адресных лент одна особенность. Подключаются диоды параллельно, но данные для управления от контроллера передаются последовательно. То есть каждый индивидуальный контроллер принимает сигнал, обрабатывает его, выполняет команду и только потом передает необходимый для работы сигнал следующему по цепи контроллеру. Если выходит из строя один элемент цепи, то все последующие диоды перестают реагировать на команды.
Однако эта проблема решена в чипе WS2813, который имеет дополнительную шину для передачи данных и позволяет игнорировать неисправный элемент.
Адресные светодиоды и светодиодные ленты — как устроены и работают, подключение и управление
Начнем с того, что в обычной светодиодной ленте, независимо от того одноцветная она или RGB, все светодиоды ленты питаются и светятся одновременно, поскольку все они получают питание параллельно от одного источника, драйвера, который работает по своему алгоритму, реализуемому непосредственно внутри драйвера, и просто подает питание сразу на всю ленту, по сути — на все параллельно подключенные к нему светодиоды.
Адресная светодиодная лента, в отличие от обычной, содержит так называемые адресные светодиоды. Это значит, что каждый светодиод хотя и получает питание параллельно от общего источника, включается каждый светодиод по индивидуальной команде, и значит, на каждом светодиоде можно получить собственный уникальный оттенок, один из 255 3 = 16581375 возможных.
В отличие от светодиодной RGB-ленты, в которой все светодиоды одинаково реагируют на сигнал с RGB-контроллера, в адресной LED-ленте каждый светодиод получает индивидуальную команду управления
Каждый светодиод в адресной ленте имеет свой уникальный адрес, по которому драйвер обращается к нему при помощи трехбитной команды. Команды отправляются в линию последовательно, для этого служит третий на ленте провод «DATA INPUT».
Возле каждого светодиода на адресной ленте установлен свой микрочип. Сегодня очень распространены адресные ленты с ШИМ-чипами WS2811.
Корпуса микрочипов DIP-8 либо SOP-8. Каждый чип имеет три выхода — каждый на свой цвет, вход передачи данных, выход передачи данных, вывод питания, вход установки режима и общий вывод.
Есть ленты с питанием чипов 5 вольт, но наиболее часто встречаются ленты с питанием 12 вольт, где один такой чип управляет сразу тремя светодиодами. Чипы на ленте соединены друг с другом последовательно через входы и выходы передачи данных.
WS2812B – более компактная модификация чипа, предназначенная для монтажа внутри корпуса светодиода SMD 5050. Так вся сборка имеет всего 4 выхода: питание, общий вывод, вход передачи данных и выход передачи данных.
Светодиоды WS2812B имеют встроенную интегральную схему (интегральную схему, микросхему) в направлении светодиода
Адресные ленты стоят дороже обычных лент, и применяются обычно там, где простые ленты по какой-то причине не применимы: полноцветные модульные сборки, декоративная подсветка с управлением «soft light», наружная реклама и т. д.
Особенность таких сборок в том, что они способны изменять и цвет и яркость отдельных своих сегментов по более сложному алгоритму, нежели простые LED-ленты, даже если эти LED-ленты оснащены умными драйверами.
ШИМ-сигнал управления подается со специального запрограммированного контроллера на вход ленты, и передается последовательно на вход одного чипа (digital input — DI), выходит из него (digital output — DO), затем проходит через второй чип, и т. д. Управление легко осуществить при помощи программы на ардуино.
Для взаимодействия с адресными лентами подходят библиотеки ардуино FastLED и Adafruit NeoPixel. Внутри библиотек содержатся полноценные скетчи, приняв которые за основу легко освоить самостоятельное создание новых световых эффектов. В заголовке скетча необходимо правильно указать количество светодиодов ленты и номер порта передачи данных.
Каждый RGB-светодиод на самом деле имеет в себе три светодиода (красный, зеленый и синий), поэтому для управления одним сегментом (один сегмент — это RGB-светодиод с чипом) требуется 3 байта информации, один байт — один цвет.
Каждый байт может принимать одно из 255 значений, поэтому в принципе каждый RGB-светодиод способен дать свет одним из 255 3 = 16581375 оттенков. Количество байт в одной команде равно таким образом 3 умножить на количество последовательных рабочих сегментов в ленте.
Посылаемая строка попадает на первый чип, который принимает первые три байта информации, пропуская остальные дальше через выход digital output (DO) – в следующий чип. Выдерживается пауза 50 мкс, означающая что следующий в очереди чип должен принять свои три байта информации. Если пауза будет длиться более 50 мкс, это значит что цикл закончен, и предстоит повторение рабочего цикла.
Светомузыка на адресной светодиодной ленте WS2812B и Arduino:
- Проблема перегрева осветительных светодиодов и пути ее решения
- Уличное освещение c применением светильников на солнечных батареях
- Виды изоленты, ее свойства и особенности
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Освещение дома, Все про светодиоды, Электрообзоры
Подпишитесь на наш канал в Telegram и узнавайте первыми о последних трендах, советах по освещению и технологиях, которые сделают ваш дом более комфортным и стильным: Современное освещение
Поделитесь этой статьей с друзьями:
