Адресний LED діод RGB WS2812B Neopixel з піксельної адресацією (4пин)

Розумні світлодіоди (пікселі) WS2812b і світлодіодні стрічки на базі цих пікселів дуже популярні з кількох причин:

— компактність, піксель містить у своєму корпусі (розміром всього 5х5 мм) 3 світлодіода і драйвер для них
— простота управління – піксель управляється за допомогою простого послідовного інтерфейсу, який легко реалізувати як програмно, так і використовуючи апаратні інтерфейси МК (такі як SPI і UART)
— управління всього по одній лінії (не рахуючи проводів живлення)
— необмежена кількість включених послідовно пікселів
— відносно невелика вартість (якщо порахувати вартість окремо 3х світлодіодів і драйверів до них вийде набагато дорожче)

Принцип роботи WS2812b — офіційна інформація з даташит.

Фізично в WS2812b є 3 випромінювальних світлодіода (червоний, синій і зелений) і ШІМ-драйвера керуючі їх яскравістю. ШІМ-драйвера 8-ми бітові, тобто для кожного з кольорів можливі 256 градацій яскравості і, відповідно, для того щоб встановити яскравості для кожного з 3-х світлодіодів потрібно передати пікселю 8х3=24 біт (3 байти) інформації. Протокол передачі інформації світлодіоду однолінійний з фіксованою швидкістю. Одиниці і нулі інформації про яскравість кодуються тривалістю високого і низького рівня сигналу в лінії.

Час передачі одного біта становить 0.8+0.45=1.25 мкС — це досить швидко. Час передачі всього пакету з 24 біт для одного пікселя WS2812b становить 24*1.25=30 мкС. Для 1000 штук — 1000*30=30 мС (що, наприклад, дозволяє оновлювати по одній лінії панно 30х30 пікселів з частотою 30 разів на секунду!).

Кожен з пікселів WS2812b має 2 виводу живлення (VDD, VSS), вхід (DIN) і вихід (d out).

На вхід DIN подається інформація (24бита) для встановлення нового кольору. Інформація про кольорі передається побітно (починаючи зі старшого біта) послідовно для кожної складової квітів G, R, B.

Пікселі з'єднуються в ланцюжок наступним чином:

Запис значень кольору ланцюжку пікселів відбувається наступним способом:
Перші 24 біта подані на DIN записує собі в тимчасову пам'ять (колір поки залишається незмінним з попереднього разу) перший піксель. Наступні біти перший піксель пропускає через себе і видає на вихід DOUT. Другий піксель повторює дії першого (залишаючи собі перші дійшли до нього 24 біта) і так по ланцюжку. Для того, щоб значення кольорів з тимчасової пам'яті пікселів стали активними повинна бути витримана пауза в передачі (reset code) протягом 50мкС. Після цієї паузи цикл можна повторювати знову.

Реалізація протоколу WS2812B (NeoPixel) за допомогою SPI

Перш, ніж приступити до реалізації, слід акцентувати увагу, що у WS2812B кодування нулів та одиничок відбувається за правилом 1/3 (дивіться даташит вище). Тобто нуль передається як 1/3 часу високий рівень і 2/3 низький. Одиниця – це 2/3 високий і 1/3 низький. З цього випливає, що для передачі одного біта для WS2812B нам достатньо 3х біт переданих по SPI.

Як видно на зображенні, щоб сформувати потрібну послідовність нулів і одиниць, нам доведеться дробити первинну інформацію про кольорі на шматочки, крім того, у байт, який передається по SPI, не вписується тріади і їх доведеться дробити теж, переносячи частину інформації про бите для пікселя в наступну посилку... виходить дуже заплутано і складно.

Але є рішення цієї проблеми! Забігаючи наперед, повідомлю, що для пікселя важлива тривалість періоду високого рівня, а низький рівень може бути з великим відхиленням, ніж зазначено в даташіте. Тому ми може подовжити наші ланцюжка біт SPI з трьох до чотирьох:

Тепер алгоритм стає більш простим і прийнятним до реалізації.

Для видачі інформації на пікселі використовується тільки один висновок SPI – MOSI. Висновки MISO і SCK залишаються незадіяними. Частота SPI повинна бути 1/0.4 мкС = 2.5 МГц