Меню

Адресная лента чип ws2811 напряжение 12 вольт

Зажигаем светодиодную ленту на базе WS2811 при помощи ПЛИС

Всем привет. Уже почти два года назад я приобрел на aliexpress китайский набор, состоящий из отладочной платы EasyFPGA A2.2, с Cyclone IV EP4CE6E22C8N на борту, ИК пульта SE-020401, программатора, пары USB проводов и шлейфов. Долгое время все это добро лежало у меня без дела, т.к. я никак не мог придумать для себя какой-то интересной и не слишком затратной по времени задачи.

Еще в прошлом году на том-же aliexpress я заказал RGB светодиодную ленту на базе всем известных WS2811 микросхем. Перед покупкой, посмотрев обзор в YouTube на специфический протокол этих микросхем, я решил, что будет интересно написать свой драйвер для них под ПЛИС. А т.к. вышеупомянутая плата на борту имеет фотоприемник, то еще и добавить возможность пощелкать режимы пультиком из комплекта. Такой себе предновогодний проект выходного дня.

Работа с WS2811

По сути, из даташита на WS2811 видно — что протокол довольно прост: на вывод DIN микросхемы нужно передать 24 бита данных цвета в формате RGB888 MSB-first. Следующие 24 бита принятых данных микросхема продублирует на выводе DOUT, что позволяет объединять WS2811 в последовательные цепочки:

Схема последовательного подключения WS2811 микросхем:

Каждый бит здесь кодируется выставлением на выводе DIN логической единицы и логического нуля на определенный промежуток времени. Для значения один — это высокий уровень в течение 1.2 µs и низкий в течение 1.3 µs, а для нуля — 0.5 µs и 2.0 µs соответственно. Из чего видно — что общее время передачи одного бита информации в обоих случаях составляет 2.5 µs. Для завершения передачи достаточно удерживать низкий уровень более чем 50 µs, что послужит сигналом для микросхемы изменить скважность ШИМ на выводах OUTR ,OUTG и OUTB, в соответствии с новым значением цвета.

Реализация WS2811 протокола в модуле WS2811Transmitter

Основное здесь это то, что я завел счетчик clock100nsDivider с частотой в 100 ns, и каждый импульс сигнала clock100ns увеличивает значение счетчика cnt100ns на единицу. Переведя сигнал startIN в 1, мы инициируем передачу данных, после чего получаем 1 на сигнале busyOUT. В начале передачи каждого бита на сигнале txOUT выставляется логическая единица, а после 12 отсчетов счетчика cnt100ns для значения один или 5 отсчетов для значения ноль — сигнал txOUT переводится в логический ноль. После 25 отсчетов процедура повторяется для следующего бита, пока все 24 бита не будут переданы, что переведет сигнал busyOUT в 0.

Единственная особенность этого модуля заключается в том, что данные передаются по заднему фронту тактового импульса clkIN. Это было сделано для того, чтобы управляющая логика уже на следующий такт после инициации передачи реагировала на изменение сигнала busyOUT.

Временная диаграмма передачи 24 бит данных цвета FF0055h для WS2811Transmitter:

Работа с ИК пультом

Для передачи данных в нем используется стандартный NEC Infrared Transmission Protocol. Ноль здесь кодируется наличием сигнала в течение 562.5µs и паузой в течение 562.5µs. Единица — 562.5µs и 1.6875ms соответственно. Начало передачи — 9ms сигнал и 4.5ms пауза. А последний импульс в течение 562.5µs обозначает окончание передачи.

Весь пакет данных состоит из: стартовой последовательности (9ms сигнал и 4.5ms пауза), 8 бит адреса принимающего устройства, 8 бит — побитовая инверсия этого адреса, 8 бит — команда, 8 бит ее побитовая инверсия и 562.5µs импульс окончания передачи. Все данные передаются в формате LSB-first.

Пример передачи пакета данных посредством NEC Infrared Transmission протокола:

Реализация NEC протокола в модуле NecIrReceiver

По сути все тайминги здесь делятся на 562.5µs. Значит заведем сдвиговый регистр pulseSamplerShift в который будем сэмплировать состояние rxIN через каждые 562.5µs. Т.к. захват сигнала нужно производить между его фронтами, то модуль делителя частоты ClockDivider настраивается на частоту в два раза меньшую — 281.25µs. По импульсу от clock281250ns изменяем значение четности clock281250nsParity, и на все нечетные состояния производим захват. С помощью rxPositiveEdgeDetect находим передний фронт сигнала, и проверяем состояние pulseSamplerShift на наличие стартового импульса, ноля или единицы.

Читайте также:  Как защитить технику от перепадов напряжения в квартире

Временная диаграмма приема пакета данных 00FF0FF0h для NecIrReceiver:

Основной модуль Main

Здесь настраиваются все модули и задаются параметры проекта. Вся логика “программы” заключается в реакции на beginTransmission сигнал, который инициирует передачу новой последовательности цветов на светодиодную ленту. По сигналу irCommandReceived происходит реакция на принятую команду от ИК пульта: остановка бегущих огней, изменение направления, переключения набора цветов и смена варианта перемешивания RGB каналов при помощи ColorSwap модуля.

Наборы цветов хранятся во внутренней памяти EP4CE6E22C8N чипа, называемой M9K Memory Blocks. Эти блоки, в моем случае, настроены как ROM, и организованы 24-х битными словами. Для этого был создан файл формата .mif с данными, и при помощи ROM Megafunction в Quartus сгенерирован ROM.v модуль. При синтезе проекта данные из .mif файла попадают в конечный .sof файл, и загружаются в чип на стадии конфигурации энергонезависимой памяти ПЛИС.

Для генерации набора цветов был написан небольшой скрипт color_patterns_generator.js под Node.js, который и создает rom.mif файл:

И вот что в итоге получилось из всего этого:

Источник

Гайд по адресной светодиодной ленте

Данный гайд посвящен адресной светодиодной ленте применительно к использованию с микроконтроллерами (Arduino, esp8266). Рассмотрены базовые понятия, подключение, частые ошибки и места для покупки.

КУПИТЬ АДРЕСНУЮ ЛЕНТУ

Лента WS2812

Гибкий профиль

Гирлянда

Полоски

Кольца

Матрицы

  • 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
  • IPXX – влагозащита
    • IP30 лента без влагозащиты
    • IP65 лента покрыта силиконом
    • IP67 лента полностью в силиконовом коробе
  • ECO – “экономная” версия ленты, менее качественная и яркая чем обычная

ТИПЫ АДРЕСНЫХ ЛЕНТ

Сейчас появилось несколько разновидностей адресных светодиодных лент, они основаны на разных светодиодах. Рассмотрим линейку китайских чипов с названием WS28XX.

Чип Напряжение Светодиодов на чип Кол-во дата-входов Купить в РФ
WS2811 12-24V 3 1 30 led, 60 led
WS2812 3.5-5.3V 1 1 30 led, 60 led, 144 led
WS2813 3.5-5.3V 1 2 (дублирующий) 30 led, 60 led
WS2815 9-13.5V 1 2 (дублирующий) 30 led, 60 led
WS2818 12/24V 3 2 (дублирующий) 60 led

У двухпиновых лент из линейки WS28XX достаточно подключить к контроллеру только пин DI, пин BI подключать не нужно. При соединении кусков ленты нужно соединять все пины!

WS2811 (WS2818) и WS2812

Сейчас популярны два вида ленты: на чипах WS2812b и WS2811 (и новая WS2818). В чём их разница? Чип WS2812 размещён внутри светодиода, таким образом один чип управляет цветом одного диода, а питание ленты – 5 Вольт. Чип WS2811 и WS2818 размещён отдельно и от него питаются сразу 3 светодиода, таком образом можно управлять цветом только сегментами по 3 диода в каждом. А вот напряжение питания у таких лент составляет 12-24 Вольта!

ЧТО ТАКОЕ АДРЕСНАЯ ЛЕНТА

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.

Читайте также:  Как определить напряжение в кабеле под землей

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:

ОСОБЕННОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

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) Если в схеме возможна ситуация, при которой на ленту не будет подаваться питание 5V, но будет отправляться сигнал с микроконтроллера – лента начнёт питаться от дата-пина. В этом случае может сгореть как первый светодиод в ленте, так и пин контроллера. Не испытывайте удачу, поставьте резистор с сопротивлением 200-500 Ом. 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 50 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, а экранирование земляной скруткой поможет этого избежать. Без этого может наблюдаться такая картина: лента не работает до тех пор, пока не коснёшься рукой сигнального провода.

2.2) При подключении ленты к микроконтроллерам с 3.3V логикой (esp8266, ESP32, STM32) появляется проблема: лента питается от 5V, а сигнал получает 3.3V. В даташите указана максимальная разница между питанием и управляющим сигналом, если её превысить – лента не будет работать или будет работать нестабильно, с артефактами. Для исправления ситуации можно:

  • Уменьшить напряжение питания ленты до 4.5V, “промышленные” (металлические в дырочку) блоки питания позволяют это сделать (у них есть крутилка).
  • Поставить конвертер (преобразователь) уровней с 3.3 до 5V на управляющий сигнал.
  • Также я придумал весьма грязный трюк с диодом: первый светодиод в ленте можно запитать от более низкого напряжения через любой кремниевый диод (например 1N4007), а остальные – как обычно. На диоде падает около 0.6V, таким образом сигнал пройдёт через ступеньку повышения 3.3-4.4-5.0V и всё будет работать стабильно. Для этого нужно аккуратно вырезать кусочек дорожки 5V между 1 и 2 светодиодом, подключить питание ко второму, и диодом оттуда же – на первый (см. схему #1 справа).
  • Ещё один способ с нашего форума: диодом “приподнять” землю самого микроконтроллера на те же 0,6V. Для этого диод ставится между GND питания катодом и GND микроконтроллера анодом (см. схему #2 справа).
  • Ну и самый правильный способ – конвертация логического уровня при помощи любого PNP транзистора:
Читайте также:  Точка высшего напряжения 11 букв

3) Самый важный пункт, который почему то все игнорируют: 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 GND Ардуино (любой из имеющихся) должны быть обязательно соединены. Смотрим два примера.

4) Питание. Один цвет одного светодиода при максимальной яркости кушает 12 миллиампер. В одном светодиоде три цвета, итого

36 мА на диод. Пусть у вас есть метр ленты с плотностью 60 диод/метр, тогда 60*36 = 2.1 Ампера при максимальной яркости белого цвета, соответственно нужно брать БП, который с этим справится. Также нужно подумать, в каком режиме будет работать лента. Если это режимы типа «радуга», то мощность можно принять как половину от максимальной. Подробнее о блоках питания, а также о связанных с ними глюках читай здесь.

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 6.3V 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 (особенно на модели ECO), 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 0.012 А (12 мА), соответственно весь светодиод – 0.036 А (36 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 500/32

16 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 программные 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.

    Источник

    Adblock
    detector