Адресный LED диод LEDTech RGB WS2812B (4пин) с пиксельной адресацией

Умные светодиоды (пиксели) WS2812b и светодиодные ленты на базе этих пикселей очень популярны по нескольким причинам:

— компактность, пиксель содержит в своем корпусе (размером всего 5х5 мм) 3 светодиода и драйвер для них 
— простота управления – пиксель управляется посредством простого последовательного интерфейса, который легко реализовать как программно, так и используя аппаратные интерфейсы МК (такие как SPI и UART)
— управление всего по одной линии (не считая проводов питания)
— неограниченное количество включенных последовательно пикселей
— относительно небольшая стоимость (если посчитать стоимость отдельно 3х светодиодов и драйверов к ним выйдет гораздо дороже)

Принцип работы WS2812b — официальная информация из даташит.

Физически в WS2812b имеется 3 излучающих светодиода (красный, синий и зеленый) и ШИМ-драйвера управляющие их яркостью. ШИМ-драйвера 8-ми битные, то есть для каждого из цветов возможны 256 градаций яркости и, соответственно, для того чтобы установить яркости для каждого из 3-х светодиодов нужно передать пикселю 8х3=24 бит (3 байта) информации. Протокол передачи информации светодиоду однолинейный с фиксированной скоростью. Единички и нули информации о яркости кодируются длительностью высокого и низкого уровня сигнала в линии.

Время передачи одного бита составляет  0.8+0.45=1.25 мкС — это довольно быстро. Время передачи всего пакета из 24 бит для одного пикселя WS2812b составляет 24*1.25=30 мкС. Для 1000 штук — 1000*30=30 мС (что, например, позволяет обновлять по одной линии панно 30х30 пикселей с частотой 30 раз в секунду!).

Каждый из пикселей WS2812b имеет 2 вывода питания (VDD, VSS), вход (DIN) и выход (DOUT).

На вход DIN подается информация (24бита) для установки нового цвета. Информация о цвете передается побитно (начиная со старшего бита) последовательно для каждой из составляющей цветов G, R, B.

Пиксели соединяются в цепочку следующим образом:

Запись значений цвета цепочке пикселей происходит следующим способом:
Первые 24 бита поданные на DIN записывает себе во временную память (цвет пока остается неизменным с предыдущего раза) первый пиксель. Последующие биты первый пиксель пропускает через себя и выдает на выход DOUT. Второй пиксель повторяет действия первого (оставляя себе первые дошедшие до него 24 бита)  и так по цепочке. Для того, чтобы значения цветов из временной памяти пикселей стали активными должна быть выдержана пауза в передаче (reset code) в течении 50мкС. После этой паузы цикл можно повторять снова.

Реализация протокола WS2812B (NeoPixel) при помощи SPI

Прежде, чем приступить к реализации, следует акцентировать внимание, что у WS2812B кодирование нулей и единичек происходит по правилу 1/3 (смотрите даташит выше). То есть ноль передается как 1/3 времени высокий уровень и 2/3 низкий. Единица – это 2/3 высокий и 1/3 низкий. Из этого следует, что для передачи одного бита для  WS2812B нам достаточно 3х бит переданных по SPI.

Как видно на картинке, чтобы сформировать нужную последовательность нулей и единиц, нам придется дробить первичную информацию о цвете на кусочки, кроме того, в байт, передаваемый по SPI, не вписывается триады и их придется дробить тоже, перенося часть информации о бите для пикселя в следующую посылку… выходит очень запутано и сложно.

Но есть решение этой проблемы! Забегая наперед, сообщу, что для пикселя важна длительность периода высокого уровня, а низкий уровень может быть с бОльшим отклонением, чем указано в даташите. Поэтому мы может удлинить наши цепочки бит SPI с трех до четырех:

Теперь алгоритм становится более простым и приемлемым к реализации.

Для выдачи информации на пиксели используется только один вывод SPI – MOSI. Выводы MISO и SCK остаются незадействованными. Частота SPI должна быть 1/0.4мкС = 2.5МГц