Цифровое управление светодиодными источниками света

Сегодня мы подробно поговорим об особой группе светодиодных источников света, которые способны украсить любой праздник, сделать ярче самую крутую вечеринку или же привлечь внимание именно к вашей продукции, витрине или вывеске. Речь пойдет о трех типах источников света с цифровым управлением:

• Пиксельные светодиодные ленты «Бегущий огонь»
• Управляемый «Гибкий неон»
• Светодиодные флеш-модули.

Все они устроены на базе RGB светодиодов, каждый из которых состоит из кристаллов красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) свечения. Особенностью же этого класса светодиодного оборудования является наличие микросхем управления, которые монтируются на саму ленту или внутрь светодиодных модулей. Эти микросхемы делают возможным управление каждым отдельным светодиодом или группой из нескольких светодиодов. Один управляемый элемент называется «пиксель», а само освещение «пиксельным». 

В зависимости от необходимого напряжения питания, варьируется и количество светодиодов в пикселе. Так в 5-вольтовых лентах и модулях управление происходит каждым светодиодом в отдельности, т.е. один пиксель состоит из одного светодиода. В таком случае микросхема может быть расположена в корпус самого светодиода. Если напряжение питания источников освещения составляет 12 В, то обычно один пиксель содержит 3 RGB светодиода, а для 24 В – 6 светодиодов. Встречаются также ленты с питанием 12 В и управлением каждым светодиодом отдельно. 

Общее управление выполняется контроллером, созданным специально для цифрового управления пиксельным освещением. Их можно подразделить на три группы: 

1. Контроллеры, световые эффекты которых были запрограммированы при их изготовлении. Число и набор программ в них постоянны и не изменяемы. Пользователь может лишь выбирать интересующую программу и настраивать скорость эффекта. Но, несмотря на это, подобные контроллеры всё равно могут продемонстрировать всю красоту динамической светодиодной подсветки, ведь некоторые из них, в зависимости от модели, могут содержать в своей памяти до 300 различных программ.
2. Контроллеры, программы которых были созданы пользователем на своем компьютере с помощью специальных программ и впоследствии записаны на SD-карту, которая устанавливается в контроллер.
3. Контроллеры, работающие онлайн. Управление ими происходит в режиме реального времени с персонального компьютера. Программы также составляются при помощи специализированного ПО, а подключение происходит через USB порт или при помощи сетевой карты компьютера через локальную сеть.

Важно обеспечить соответствие цвета в программе, воспроизводимому цвету, поэтому при настройке большинства контроллеров есть возможность указать необходимую последовательность каналов на светодиодной ленте, например, RGB, RBG, BGR и др. Для правильного воспроизведения эффектов также задается количество и расположение пикселей. 

Микросхема, вмонтированная в светодиодную ленту или флеш-модуль, представляет собой особый микроконтроллер, принимающий цифровой сигнал, сформированный управляющим контроллером, и преобразующий его в визуальное изменение свечения, яркости или цвета светодиода. Такие микроконтроллеры часто называют «чип» или «драйвер». Последнее понятие мы и будем использовать дальше в статье. 

Не все контроллеры и драйверы совместимы между собой, но большинство контроллеров могут работать с несколькими моделями драйверов. О том, с какими типами драйверов совместим тот или иной контроллер, указывается в подробных технических характеристиках или в его программном обеспечении, если оно используется. Вид драйвера также указывается в параметрах светодиодных лента, флеш-модулей и «гибкого неона». Всё это нужно, чтобы правильно выбрать и настроить совместную работу контроллера и управляемых устройств. С течением времени списки совместимости контроллеров и драйверов расширяются, т.к. технический прогресс не стоит на месте.

Сами драйверы по принципу работы также подразделяются на два кардинально разных типа: 

1. SPI-драйверы – в их работе применяется цифровой интерфейс SPI, от английского «Serial Peripheral Interface» - последовательный периферийный интерфейс. Эта группа более обширная, такие драйверы используются чаще.
2. DMX-драйверы – соответственно используют цифровой протокол управления DMX, от английского Digital Multiplex – цифровое мультиплексирование.

Каждый из типов драйверов имеет свои достоинства, о них мы и поговорим более подробно далее. 

Цифровой интерфейс SPI 

Основная особенность применения этого протокола заключается в последовательной передачи информации от пикселя к пикселю по всей длине подключенной цепочки. При этом нет необходимости присваивать адрес каждому пикселю, поскольку его адрес определяется расположением пикселя в цепи. Контроллер формирует определённую цифровую последовательность управления и отправляет её на первый пиксель. Его драйвер, принимает первые данные, а остальную цифровую последовательность передаёт далее, на следующий пиксель. Второй драйвер действует по тому же принципу: первую часть полученной информации «забирает» себе, а остальное передаёт далее. 

Передача информации, в зависимости от типа драйвера, может осуществляться по двум сигнальным проводам (DATA и CLK) или с использованием только одного сигнала (DATA). Первый вариант требует более сложного монтажа, но обеспечивает более устойчивую работу на высоких скоростях обмена, что гарантирует меньшую задержку распространения информации и, соответственно, более высокую частоту обновления информации, что важно, например, при создании мультимедийных экранов. В нашей таблице указаны основные параметры SPI-драйверов, используемых Arlight (список микросхем пополняется с появлением новых устройств). 

Тип драйвера	ТМ1804	ТМ1812	WS2801	WS2811	WS2812	LPD6803	UCS1903	TLS3001
Использование в оборудовании Arlight	Ленты/ модули	Ленты	Модули	Ленты/ модули	Ленты/ модули	Модули	Модули	Модули
Напряжение питания лент и модулей Arlight	12/24В	12В	5/12В	5/12/24В	5В	5/12/24В	5/12В	5В
Количество RGB светодиодов в пикселе для лент Arlight	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 помощью приведённых структурных схем Вы сможете самостоятельно подключить SPI-ленты к пиксельному контроллеру.

Рис. 1. Структурная схема подключения SPI-ленты к пиксельному контроллеру с передачей сигнала по двум сигнальным проводам (DATA и CLK) 

Рис. 2. Структурная схема подключения SPI-ленты к пиксельному контроллеру с передачей сигнала по одному сигнальному проводу (DATA) 

Цифровой протокол DMX

В отличие от протокола SPI, особенностью цифрового протокола DMX является параллельная подключение всех драйверов к шине управления. Это отлично видно на структурной схеме. (Рис. 3) 

Преимущество этой системы состоит в том, что, если из строя выйдет один драйвер, это не нарушит работу всей последующей цепочки. С другой стороны, необходимо учитывать, что для правильной работы системы, каждый драйвер должен иметь свой индивидуальный и вполне определенный адрес, чтобы информация от контроллера попала по назначению. В случае, если в такой системе драйверы поменять местами, световой эффект будет нарушен.

Рис. 3. Структурная схема подключения DMX светодиодной ленты к пиксельному контроллеру (сигнал ADR используется только при записи адресов DMX каналов) 

Компания Arlight в своём оборудовании используют современные DMX драйверы типа WS2821. Обратим ваше внимание на то, что они применяют протокол DMX, но не используют полноценный симметричный интерфейс, используемый в стандартных устройствах DMX. Для передачи информации используется сигнал DATA+ и не используется DATA-.

Первоначально DMX адреса светодиодных лент, «гибкого неона» и флеш-модулей прописываются при их производстве. Каждая катушка ленты или «гибкого неона» или цепочка модулей номеруется по порядку, начиная с первого. Подключая последовательно более одной катушки ленты или группы модулей необходимо производить запись адресов самостоятельно, при помощи редактора адресов. Сначала соединяются все отрезки ленты или модули, а затем прописываются адреса. Запись происходит с автоматическим распределением адресов, последовательно, начиная от ближайшего к контроллеру пикселя. Таким образом, гарантируется уникальность адресов и правильное отображение эффектов.

Для того, чтобы производить перезапись DMX адресов необходимы специальные редакторы, например RA-DMX-ID-WS2821. Некоторые модели пиксельных контроллеров имеют встроенные редакторы адресов, например, DMX K-1000D или DMX K-8000D. В процессе записи адресов используется провод с маркировкой ADR (ADI, ADIN), который впоследствии, для воспроизведения программ уже не применяется. Если в выбранном контроллере нет встроенного редактора или выхода для подключения провода ADI, то он должен быть соединён с общим проводом GND, что предотвратит влияние на него внешних помех и наводок.

В итоге хотелось бы вкратце осветить положительные стороны обоих протоколов SPI и DMX.

Преимущества оборудования использующего интерфейс SPI:

1. Не нужно записывать адреса, а значит, и покупать редактор адресов.

2. Можно спокойно менять местами пиксели (отрезки ленты или модули), это не повлечёт за собой изменения в рисунке эффекта.

3. При необходимости возможно соединение более 1024 пикселей. Для этого нужен контроллер, поддерживающий такое количество пикселей, и максимально аккуратный и продуманный монтаж цепей управления.

Преимущества использования протокола DMX:

1. Возможность совместной работы с оборудованием, использующим стандартный протокол управления DMX512, таким как различные DMX пульты или, например, с устройствами системы MADRIX.

2. В случае выхода из строя одного из пикселей, работа последующих пикселей цепи продолжается, как и раньше, картинка не нарушается.

При совместной работе со стандартным оборудованием DMX512, на одну DMX шину может быть подключено до 170 пикселей (по 3 адреса на каждый пиксель, суммарно 510 адресов). При использовании специализированных пиксельные DMХ контроллеров для светодиодных лент и флеш-модулей на один порт контроллера обычно может быть подключено до 1024 пикселей.

На нижеприведённой иллюстрации изображена схема подключения нескольких светодиодных лент «Бегущий огонь».

В конце нашей статьи обозначим основные рекомендации, которые помогут максимально правильно спроектировать и установить управляемые светодиодные системы. Эти рекомендации подходят ко всем пиксельным светодиодным лентам, управляемому «гибкому неону» и флеш-модулям, независимо от протокола, которым они управляются.

1. Важно соблюдать направление передачи данных. Оно обозначено стрелками на самой ленте или флеш-модулях и указывает направление от контроллера. Кроме того, на оборудование зачастую нанесена и специальная маркировка: контакты «DI» или «DIN» (вход) подсоединяются к выходу контроллера, «DO» или «DOUT» (выход) – к следующим пикселям.

2. Запрещено подключать светодиодную ленту к источнику питания с выходным напряжением выше, чем её номинальное напряжение питания. Подобные действия лишь испортят ленту.

3. К такому же результату приведёт и подача напряжения питания на вход данных или несоблюдение полярности при подключении блока питания.

4. Запрещено последовательно подавать питание от ленты к ленте. Катушки светодиодной ленты, и «гибкого неона» всегда имеют максимально допустимую длину. При последовательном подключении нескольких катушек, провода DATA и GND присоединяются от выхода одной светодиодной ленты ко входу другой, но питание подаётся отдельно на каждую из них. Возможен и вариант, когда один мощный источник питания используется сразу для нескольких лент. В таком случае, от блока питания ведётся отдельный кабель к каждой светодиодной ленте. Такой способ может стать причиной падения напряжения на проводах, что приводит к искажению цвета свечения и неполадкам в управлении пикселями. Сечения проводов для управляемых светодиодных лент рассчитываются также, как и для обычных, основываясь на мощности ленты и длине провода. Наш калькулятор поможет Вам всё легко рассчитать. Но наиболее рациональным методом подключения может стать использование отдельных блоков питания невысокой мощности для каждой светодиодной ленты, размещённых непосредственно рядом. Это позволит избежать проблем, связанных с падением напряжения на проводах питания.

5. Подключая светодиодные ленты высокой плотности с напряжением питания 5 В, питайте их с обоих концов. Иначе из-за падения напряжения на дорожках ленты и высоких значений потребляемого тока, её цвет в начале и конце может значительно отличаться. Кроме того, из-за нехватки напряжения на конце ленты, могут возникнуть проблемы с её управлением. Подобные недостатки особенно ярко заметны при включении постоянного белого цвета на всех светодиодах, т.к. тогда потребляемый лентой ток максимален. Определённые модели контроллеров могут частично решить эту проблему, автоматически снижая яркость свечения белого цвета при питании в 5 В.

6. Нет необходимости питать контроллеры и светодиодные ленты с помощью блоков питания с одинаковым напряжением, ведь напряжение на управляющих линиях DATA и CLK не зависит от модели контроллера и его напряжения питания. Оно может принимать только 2 значения – 0 и 5 В (уровни TTL). Таким образом, возможно одновременное использование пятивольтовой светодиодной ленты и двенадцативольтового контроллера. Важно, чтобы блок питания и подключаемое к нему оборудование соответствовали друг другу. В случае, если напряжение питания контроллера и светодиодной ленты совпадает, можно использовать один общий блок питания.

7. Передача сигналов управления от контроллера к управляемым источникам освещения должна осуществляться с помощью экранированного кабеля или кабеля для компьютерных сетей UTP (витая пара). Он должен быть не длиннее 10 м. Если нужно управлять системой с большего расстояния (до 200 м), можно использовать 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.

8. Если система содержит более 1024 пикселей, нужно применять контроллеры с несколькими выходными портами, распределяя равномерно пиксели между портами.

Применяя на практике это руководство, Вы можете дать волю фантазии и создавать огромное множество эффектов от простых световых дорожек «Бегущий огонь» до огромных мультимедийных экранов с разнообразными изображениями.