Управление светодиодными источниками света по протоколам SPI и DMX
Эта статья посвящена особому классу управляемых светодиодных источников света, к которому относятся пиксельные светодиодные ленты «Бегущий огонь»,
управляемый «гибкий неон» и флеш-модули. В них, как и в обычных многоцветных RGB лентах и модулях, используются трехцветные светодиоды с красным (Red), зеленым (Green) и синим (Blue) цветом свечения.
Принципиальное отличие заключается в том, что помимо светодиодов, непосредственно на ленту или внутрь модулей, устанавливаются микросхемы управления. Благодаря этому, появляется возможность управлять не всеми светодиодами одновременно, а каждым светодиодом или группой из нескольких светодиодов отдельно. Такая группа называется пиксель. Количество светодиодов в пикселе зависит от типа ленты. Светодиодные ленты и модули с напряжением питания 12В обычно имеют по 3 RGB светодиода в одном пикселе, с питанием 24В – по 6 светодиодов на пиксель. В светодиодных лентах и модулях с напряжением питания 5В, управление обычно осуществляется каждым светодиодом отдельно, причем микросхема управления может быть встроена в корпус самого RGB светодиода.
Большинство контроллеров позволяют устанавливать длину подключенной ленты и выбирать последовательность RGB каналов на ленте (RGB, RBG, BGR и т.д.). Это необходимо чтобы цвет, заданный в программе, соответствовал воспроизводимому цвету, красный цвет был красным, зеленый – зеленым и синий - синим.
Цифровой сигнал, сформированный пиксельным контроллером, поступает на микросхему, установленную на ленте или во флеш- модуле, и представляющую собой специализированный микроконтроллер, который принимает цифровой сигнал, декодирует его и управляет яркостью и цветом свечения светодиодов. Часто эти микроконтроллеры называют «чип» или «драйвер». В данной статье, для однозначного понимания, будем называть их «драйвер».
Тип используемых драйверов обязательно указывается в параметрах светодиодных лент или флеш-модулей. Знать этот тип необходимо для того, чтобы подобрать и правильно настроить контроллер, который будет управлять лентой или модулями.
Большинство контроллеров могут работать с несколькими типами драйверов. Перечень драйверов, с которыми работает тот или иной контроллер, приводится в его технических характеристиках, а также в программном обеспечении к контроллеру, если таковое используется для создания собственных световых программ. Поскольку ведется постоянная работа по совершенствованию программного обеспечения и контроллеров, списки совместимых драйверов периодически пополняются.
Применяемые драйверы разделяются на два принципиально разных класса. В соответствии с этим на два класса можно разделить и светодиодных ленты, флеш-модули и «гибкий неон».
- Первый класс (более обширный и чаще используемый) - это драйверы использующие цифровой интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный интерфейс),
- Второй – драйверы, использующие цифровой протокол управления DMX (Digital Multiplex – цифровое мультикплексирование).
Оба класса драйверов имеют свои преимущества, о которых расскажем далее. Рассмотрим более подробно оба типа используемых протоколов.
Использование протокола SPI.
Особенностью светодиодных лент и модулей, использующих протокол управления SPI, является последовательная передача данных от пикселя к пикселю по всей длине подключенной цепочки. Цифровая управляющая последовательность формируется контроллером и подается на первый пиксель. Драйвер этого пикселя «забирает» первую принятую информации себе, а оставшуюся цифровую последовательность передает на следующий пиксель. Второй драйвер также «отрезает» себе начальную часть информации и передает оставшееся на третью микросхему, и т.д. При таком способе передачи нет необходимости присваивать микросхемам адреса. Адресом, по сути, является место расположения пикселя в общей последовательности.
Управление по протоколу SPI может осуществляться с использованием двух сигнальных проводов (DATA и CLK) или только одного (DATA). Для лент и модулей с двумя сигналами управления характерна более стабильная работа на высоких скоростях обмена и, соответственно меньшая задержка распространения информации и более высокая частота обновления. Сколько проводов управления используется в конкретном случае, зависит от типа драйверов на светодиодной ленте или в модулях. Ниже приведена таблица с основными параметрами SPI драйверов, используемых в оборудовании Neoncolor.
| Тип драйвера | ТМ1804 | ТМ1812 | WS2801 | WS2811 | WS2812 | LPD6803 | UCS1903 | TLS3001 |
Использование в оборудовании
| Ленты/ модули | Ленты | Модули | Ленты/ модули | Ленты/ модули | Модули | Модули | Модули |
Напряжение питания лент и модулей
| 12/24В | 12В | 5/12В | 5/12/24В | 5В | 5/12/24В | 5/12В | 5В |
Количество RGB светодиодов в пикселе для лент
| 1 или 3 шт. | 1, 2 или 3 шт. | - | 3 шт. | 1 шт. | - | - | - |
| Сигналы управления | DATA | DATA | DATA, CLK | DATA | DATA | DATA, CLK | DATA | DATA |
| Исполнение микросхемы | В отдельном корпусе | В отдельном корпусе | В отдельном корпусе | В отдельном корпусе | Встроена в светодиод | В отдельном корпусе | В отдельном корпусе | В отдельном корпусе |
| Количество обслуживаемых драйвером пикселей | 1 (3 канала) | 4 (12 каналов) | 1 (3 канала) | 1 (3 канала) | 1 (3 канала) | 1 (3 канала) | 1 (3 канала) | 1 (3 канала) |
| Количество цветов | 16 млн | 16 млн | 16 млн | 16 млн | 16 млн | 32768 | 16 млн | 4096 |
С появление новых драйверов, список используемых микросхем пополняется.
Ниже приведены структурные схемы SPI лент и их подключение к контроллеру.
Рис.1. Структурная схема SPI светодиодной ленты с двумя линиями управления (DATA и CLK)
Рис.2. Структурная схема SPI светодиодной ленты с одной линией управления (DATA )
Использование протокола DMX.
Отличительные особенности светодиодных лент и флеш-модулей, использующих DMX управление – параллельная подача сигнала управления на все модули. Как видно на структурной схеме, приведенной на рис.3., цифровой сигнал с выхода контроллера подается одновременно на все драйверы.
Рис.3. Структурная схема DMX светодиодной ленты (сигнал ADR используется только при записи адресов DMX каналов)
В такой системе выход из строя одного драйвера не вызывает отказ всех последующих пикселей. Правда, чтобы информация попала именно в тот драйвер, которому она предназначена, драйверы должны иметь свой персональный адрес. Если драйверы в последовательной цепочке поменять местами, поменяются и пикселы в программе, в результате световой эффект будет нарушен.
В оборудовании компании Neoncolor используются современные DMX драйверы WS2821. Справедливости ради, стоит отметить, что эти драйверы используют протокол DMX, но не используют полноценный симметричный интерфейс, характерный для работы систем стандарта DMX. Для передачи сигнала используется сигнал DATA+ и не используется DATA-.
DMX ленты, модули и «гибкий неон» поставляются с записанными при производстве DMX адресами. По умолчанию, адресация пикселей каждой катушки ленты (цепочки модулей или катушки «гибкого неона») начинается с 1-го адреса и нумеруется по порядку до последнего пикселя. Если в одну линию соединяется несколько катушек или отрезков, требуется произвести запись адресов заново. Для этого вначале выполняются все соединения отрезков ленты или модулей, а затем производится запись адресов. При этом адреса автоматически последовательно записываются во все подключенные пиксели, начиная от ближайшего к контроллеру. Такая запись исключает дублирование адресов и обеспечивает правильное выполнение световых эффектов.
Для записи адресов в DMX драйверы используются специализированные редакторы адресов, например,
DMX-WS2821. Некоторые пиксельные контроллеры, такие как
DMX K-1000D или
DMX K-8000D, имеют встроенный редактор адресов.
При записи адресов используется провод, обозначенный ADR (ADI, ADIN). После выполнения записи, при воспроизведении световых программ, вход ADI драйверов не используется. Если Ваш контроллер не имеет встроенного редактора адресов и не имеет выхода для подключения провода ADI, этот провод должен быть соединен с общим проводом GND, что предотвратит воздействие на него внешних помех и наводок.
Подводя итог сравнению цифровых интерфейсов SPI и DMX, используемых при управлении светодиодными пикселями, приведем положительные стороны обоих.
Плюсы светодиодных лент и модулей, использующих интерфейс SPI:
- нет необходимости записывать адрес и, соответственно, приобретать редактор адресов;
- нет привязки пиксела к месту установки в общей цепи, т.е. перестановка модулей или отрезков ленты не приводит к нарушению рисунка воспроизводимой программы;
- возможность подключения на одну линию более 1024 пикселей, при условии поддержки такого количества контроллером и при продуманном и качественно выполненном монтаже.
Плюсы светодиодных лент, модулей и «гибкого неона», использующих интерфейс DMX:
- совместимость с оборудованием, использующим стандартный протокол управления DMX512, например, DMX пульты или оборудование системы MADRIX.
- при отказе одного пикселя, все последующие пиксели продолжают работать, картинка не искажается.
При управлении от оборудования, работающего по стандартному протоколу DMX512 , на одну DMX шину может быть подключено максимум 170 пикселей (170 пикселей по 3 адреса, итого 510 адресов). При использовании специализированных пиксельных контроллеров для светодиодных лент и флеш-модулей, это количество зависит от типа самого контроллера и обычно составляет 1024 пикселя на один порт.
В заключении статьи приведем схему подключения нескольких светодиодных лент «Бегущий огонь» (Рис.4.) и дадим несколько рекомендаций, которые помогу правильно спроектировать и смонтировать систему.
Рис.4. Соединение нескольких светодиодных лент.
Приведенные ниже рекомендации относятся ко всем светодиодным лентам, флеш-модулям и гибкому неону, управляемым как по протоколу SPI, так и DMX.
- При подключении пикселей соблюдайте направление передачи данных, обозначенное стрелками, нанесенными на ленте или флеш-модулях. Стрелки должны указывать в направлении от контроллера. Также, можно ориентироваться на маркировку, нанесенную на ленту или модули. Контакты с маркировкой DI или DIN – вход, подключаются к выходу контроллера, контакты с маркировкой DO или DOUT – выход, подключаются к следующим пикселям.
- Никогда не подавайте на ленту напряжение, превышающее номинальное напряжение питания, например, подключение ленты с напряжением питания 5В к источнику питания с выходным напряжением 12В неминуемо приводит к выходу ленты из строя.
- Будьте внимательны при подключении. Подача напряжения питания на вход данных или ошибка с полярностью подключения выводов питания («плюс» и «минус» источника питания) может привести к выходу ленты из строя.
- Не подключайте последовательно питание двух и более лент (5 или 2.5 м, в зависимости от типа лент). Лента и «гибкий неон» поставляются на катушках и всегда имеют максимально допустимую длину. При соединении последовательно нескольких лент, провода DATA и GND подключаются с выхода одной ленты ко входу другой, а питание подается на каждую ленту отдельно. Если для питания нескольких лент используется один мощный источник питания, от него к каждой ленте необходимо провести отдельный кабель. При этом следует учитывать, что ток потребления ленты может достигать больших значений и это приводит к падению напряжения на питающих проводах. Помимо изменения цвета свечения, такое падение может вызывать сбои в управлении пикселями. Сечение питающего кабеля рассчитывается так же, как и для стандартных светодиодных лент, исходя из потребляемой мощности ленты и длины кабеля. Для расчета можно воспользоваться калькулятором сечения провода на нашем сайте. Часто, вместо одного мощного источника питания, бывает удобнее использовать отдельные блоки небольшой мощности для каждой ленты, разместив их в непосредственной близости к ленте. При таком подключении проблем, вызываемых падением напряжения, не возникает.
- При использовании лент высокой плотности и с низким напряжением питания (5 вольт), подавайте питание на ленту с обоих концов. На таких лентах, из-за большого потребляемого тока и падения напряжения на дорожках ленты, цвет свечения светодиодов в начале и конце ленты может отличаться. Из-за недостатка напряжения питания на конце ленты могут появиться сбои управления светодиодами. Эти эффект особенно выражены при включении статического белого цвета на всех светодиодах. В таком режиме потребляемый лентой ток максимальный. На некоторых контроллера, для устранения подобного эффекта, автоматически снижается яркость свечения на белом цвете при питании контроллера напряжением 5 вольт.
- Напряжение на управляющих линиях DATA и CLK не зависит от типа контроллера и его напряжения питания. На всех контроллерах оно может принимать только два значения – 0 или 5 вольт (уровни TTL). Из этого следует, что не обязательно питать контроллер и ленту от источников питания с одинаковым выходным напряжением. Например, можно использовать ленту с питанием 5 вольт и контролер с напряжением питания 12 вольт. Главное, чтобы выходное напряжение блока питания ленты соответствовало подключаемой ленте, а выходное напряжения блока питания контроллера соответствовало подключаемому контроллеру. Если напряжения питания контроллера и ленты одинаковые, можно использовать один общий источник питания.
- Для передачи сигналов управления от контроллера к ленте используйте экранированный кабель. Возможно применение кабеля для компьютерных сетей UTP (витая пара). Длина кабеля управления между контроллером и лентой не должна превышать 10 м. При необходимости передать сигнал управления на большее расстояние (до 200м), используйте конверторы сигнала TTL в RS485 со стороны контроллера RS485 в TTL со стороны ленты. Для передачи и приема сигнала по кабелю можно использовать конвертер TH2010-485.
- При количестве пикселей в системе более 1024, используйте контроллеры с несколькими выходными портами. Равномерно распределяйте пиксели между портами контроллера.
Руководствуясь приведенными рекомендациями, можно создавать системы практически любой сложности – от световых дорожек с эффектом «Бегущий огонь» до мультимедийных экранов с выводом графических и видео изображений.
