Все об управлении SMART-лентами

1. Контроллеры и микроконтроллеры
2. Протокол SPI (Serial Peripheral Interface)
3. Протокол DMX (Digital Multiplex)
4. Общие рекомендации

Светодиодные ленты давно не новинка. Все мы видели видеовывески, которые привлекают внимание покупателей к торговому центру, просто манят их туда, а светодиодные экраны – это такая же черта современного мегаполиса, как и билборды с обещаниями политиков. А ведь они, по сути, состоят из SMART-лент. И эти светодиодные ленты – далеко не простые RGB-ленты.

В чем же отличие между обычными светодиодными лентами и SMART-лентами? А вот в чем: в SMART-лентах есть микросхемы управления, и они устанавливаются прямо на ленту. С их помощью можно управлять:

• всеми диодами сразу;
• каждым диодом по отдельности;
• пикселями (то есть, группой из нескольких светодиодов).

В таких светодиодных лентах есть пиксельные контроллеры, с помощью которых осуществляется управление, а именно, формируется сигнал. Они же помогают задать длину ленты и выбрать очередность RGB-каналов (RGB – красный, зеленый, синий; BGR – синий, зеленый, красный и т.д.). В результате воспроизводимый цвет будет совпадать с тем, который задан программой (заданный красный цвет будет воспроизводиться красными, зеленый – зеленым и т.д.).

Контроллеры и микроконтроллеры

Контроллеры бывают трех типов:

1. С установленным набором эффектов. В память прибора программы вводятся на заводе-изготовителе. Поэтому вы можете выбрать только из уже заданного списка эффектов и управлять несколькими его параметрами. Максимальное количество программ в одном контроллере – 300.
2. Программируемые. Вы сами пишете программы (на компьютере) с помощью LedBuild, LedEdit и т.д., но запускаются эти программы с SD-карты.
3. Online-контроллеры. Программы и пишутся, и запускаются с компьютера, а контроллер можно подключить к компьютеру либо по локальной сети, либо через USB-порт. Здесь тоже используют специальное ПО, например, LED Studio.

В SMART-лентах сформированный сигнал попадает затем на микросхемы, установленные на ленте. Это тоже микроконтроллеры, только специализированные. Их еще называют драйверами. Приняв сигнал, драйвер его расшифровывает (декодирует) и потом управляет характеристиками светодиода, а именно, цветом и яркостью свечения. Зная тип драйвера, вы с легкостью подберете и правильно настроите пиксельный контроллер для управления лентой или отдельными модулями ленты. Тип драйверов всегда указывается в параметрах ленты.

Как правило, контроллеры совместимы не с одним, а с несколькими типами драйверов. Именно поэтому в параметрах контроллера вы всегда можете ознакомиться со списком совместимых микроконтроллеров (драйверов). Этот перечень есть также в ПО к вашему пиксельному контроллеру (если вы сами пишете программы и пользуетесь специальным программным обеспечением). Производители регулярно обновляют списки драйверов.

Есть две широкие категории, или два широких класса, драйверов. Первый класс использует цифровой интерфейс SPI (последовательный периферийный интерфейс) и встречается намного чаще. Вторая категория или класс – микроконтроллеры с протоколом DMX (цифровое мультиплексирование). Это основное – и принципиальное – различие между категориями. Остановимся на классах драйверов подробнее.

Протокол SPI (Serial Peripheral Interface)

В протоколе SPI данные передаются последовательно – от пикселя к пикселю – по всей цепи. На первый пиксель подается заданный цифровой ряд управления лентой. Драйвер пикселя «присваивает» себе начальную часть информации, а остальные данные идут на второй пиксель. На драйвере второго пикселя происходит то же самое: начальная часть данных «остается», а остальное передается на следующий микроконтроллер и т.д. В этом протоколе персональный адрес для каждого драйвера необязателен. Ведь адрес микроконтроллера – это то, где пиксель находится в общей последовательности пикселей.

В SPI-протоколе можно использовать два (DATA и CLK) или один (DATA) сигнальный провод. С двумя сигнальными проводами ленты (модули) стабильнее работают на высоких скоростях обмена, у них меньше задержка информации и выше частота обновления.

На рисунках ниже показаны разные схемы подсоединения SMART-ленты и контроллера в SPI-протоколе.

SPI-протокол (два сигнальных провода – DATA и CLK)

SPI-протокол (один сигнальный провод – DATA)

Теперь расскажем о втором классе микроконтроллеров, использующем протокол (интерфейс) другого типа.

Протокол DMX (Digital Multiplex)

При использовании DMX-интерфейса сигнал поступает на все модули, то есть на все драйверы, одновременно.

Модули с DMX-протоколом

Этот протокол хорош тем, что при поломке одного модуля продолжают работать все остальные модули. Но помните, что у каждого драйвера должен быть свой персональный адрес. Если же в цепи поменять местами драйверы (микроконтроллеры), то и пиксели в программе изменятся, и световой эффект соответственно нарушится. Сигнал передается через DATA+ и DATA -.

Преимущества SPI-интерфейса:

1. не прописывается адрес, поэтому не надо приобретать редактор адресов;
2. пиксель не привязан к месту в общей цепи, поэтому рисунок в воспроизводимой программе не нарушится, если вы поменяете местами компоненты вашей светодиодной ленты или пиксели;
3. на одну линию можно подключить более 1024 пикселей (если ваш контроллер поддерживает такое число).

Преимущества DMX-интерфейса:

1. протокол совместим с оборудованием, поддерживающим DMX512 (стандартный протокол), это, к примеру, DMX-пульты. При использовании этого интерфейса вы можете подключить до 170 пикселей на одну DMX-шину (170 пикселей, каждый имеет по три адреса, всего 510 адресов);
2. изображение не искажается, а система продолжает стабильно работать, если один из модулей отказывает.

Cхема подключения по протоколам SPI и DMX ниже поможет вам правильно подключить светодиодные ленты, используя оба интерфейса.

Объединение нескольких SMART-лент

При установке лент /модулей и настройке управления обязательно следуйте рекомендациям ниже.

Общие рекомендации

1. Стрелки и маркировка

На пикселях (или на ленте) есть стрелки. Они показывают направление данных. При подключении обязательно следуйте этому направлению. Причем убедитесь, что это направление – ОТ КОНТРОЛЛЕРА. Не забывайте о маркировке. DI или DIN на контактах – это «вход» (подсоединяйте контакты к выходу контроллера). DO или DOUT – «выход» (подсоединяйте контакты к последующим пикселям).

2. Напряжение на ленте

Напряжение на ленте никогда не должно быть выше ее номинального напряжения. Если подсоединить ленту в 5В к источнику питания 12В, она обязательно повредится.

3. Полярность и тип входа/выхода

Осторожно и внимательно подсоединяйте ленту: стоит вам допустить ошибку с полярностью («плюс» и «минус» выводов) или случайно подсоединить выход питания к входу данных, и ваша RGB-лента прекратит работу.

4. Отдельный источник питания для каждой ленты

Если у вас несколько RGB-лент, подсоединяйте питание к каждой отдельно. Ведь провода DATA и GND подсоединяют по порядку (там, где у одной ленты выход, а у другой – вход), а питание подают на каждую ленту в отдельности. Даже если у вас один мощный источник питания для нескольких лент, проведите от него кабель к каждой ленте. Помните, что ток на ленте может быть очень высоким, и тогда напряжение на проводах падает. Из-за этого меняется цвет, а еще бывают нарушения, сбои и ошибки в управлении пикселями.

5. Сечение кабеля

Рассчитывая сечение кабеля, исходите из того, сколько энергии потребляет лента и какова длина кабеля, как вы это делаете, выбирая кабель для простых RGB-лент. Зачастую уместно пользоваться несколькими блоками питания (небольшой мощности) для каждой ленты вместо одного мощного источника. Обязательно размещайте их вблизи лент. Использование отдельных блоков питания позволит вам миновать проблемы, вызванной падением напряжения.

6. Питание с обеих сторон ленты

Если в вашей ленте высокая концентрацией диодов и низкое напряжение питания (к примеру, 5В), подавайте питание с обоих концов ленты. Если лента потребляет много тока, и напряжение в ней падает, то цвет аналогичных диодов в начале и в конце ленты может быть разным. Вдобавок, на концах ленты могут появляться сбои в управлении диодами при недостаточном питании, особенно если для всех диодов выбрать статичный белый цвет, у которого максимальное потребление тока. С этим тоже можно разобраться. Например, чтобы устранить этот эффект, некоторые контроллеры автоматически снижают яркость свечения, если напряжение питания контроллера 5 Вольт и выставлен белый цвет.

7. Уровень напряжения

У ленты и контроллера источники питания могут иметь разное выходное напряжение (к примеру, у ленты 5В, а у контроллера – 12В). Важно помнить, что лента/контроллер и выходное напряжение блока питания, к которому они подключаются, должны быть одинаковыми. Если же у контроллера и ленты одинаковое напряжение питания (к примеру, 12 В), смело пользуйтесь общим источником питания.

8. Экранированный кабель и преобразователь

Передавая сигналы управления от контроллера к ленте, возьмите экранированный кабель, защищающий от внешних помех, к примеру, кабель витая пара для компьютерных сетей (UTP). Максимальная длина кабеля – 10 м. Если сигнал управления передается на внушительное расстояние (до 200 м), то со стороны контроллера используйте преобразователь, выполняющий конверсию сигнала из TTL в RS485, а со стороны ленты – наоборот, то есть преобразователь RS485 -> TTL.

9. Равномерное распределение пикселей

Если в вашей системе 1024 пикселей, берите контроллеры, у которых больше одного выходного порта и помните, что нужно обязательно равномерно распределять пиксели между этими портами.

В заключение скажем, что, руководствуясь этими рекомендациями, вы сможете воплотить в жизнь самые разные проекты – будь это простые световые дорожки с эффектом «Бегущие огни», мультимедийные светодиодные экраны или видеовывески.

Другие статьи на тему

10.10.2018

В чем отличие светодиодной SMART-ленты от обычной цветной RGB-ленты

02.03.2024

Как выбрать LED-экран?