Что такое светодиодный пиксель (LED pixel)? Расчет необходимого количества пикселей для использования в проекте

В данной статье рассмотрим, каким образом из пикселей можно создать видеоэкран или бегущую строку

Пиксели имеют внешний вид:

Размер пикселей представлен на чертеже ниже

Пиксели поставляются соединенными в гирлянды по 50штук.

В каждом RGB LED модуле или пикселе, находится контроллер управления.
Чип и сам светодиод залиты в водонепроницаемый, прозрачный, мягкий, силиконовый корпус. Особенность пикселей в том, что они могут управляться независимо друг от друга, это обеспечивается микросхемой внутри пикселя. Это свойство позволяет создавать на основе пикселей видеоэкраны и бегущие строки.

Технические характеристики пикселей:

Тип диода
Количество цветов	32 к (LPD6803) или 16 млн. (WS2801)

Тип крепления	Через отверстие Ø12мм, толщина мат. 2-3мм
Степень защиты
Габаритные размеры	38мм х 12,5мм х 12,5мм

Максимальный ток через все три цвета	60мА (0.3Вт)
Протокол управления	Последовательный по двум проводам

Таблица степеней защиты

Степень защиты пикселей IP67 означает, что от пыли они защищены полностью, также выдерживают временное погружение в воду до 1м.

Основные достоинства данных пикселей:

1) Небольшая стоимость
2) Высокая яркость
3) Высокая степень защиты IP65 (не боится не пыли не воды может находится на улице ничем не закрытый)
4) Простота монтажа (любого человека за 10 минут можно обучить монтажу пикселей, следовательно, вам не нужно нанимать дорогостоящих специалистов).
5) Возможность демонтажа и повторного применения
6) При работе пиксель не греется

Основной сферой применения пикселей данного типа является:

1) Светодиодные полноцветные динамические табло и бегущие строки любой формы, например, медицинский крест, сердце.
2) Динамические логотипы любой геометрии.
3) Использование пикселей, как динамического источника света для воплощения дизайнерских идей.
4) Поскольку пиксель имеет простой способ крепления в отверстие диаметром 12 мм, это дает возможность устанавливать его на любые криволинейные поверхности (шар, колонны).

Расчет необходимого количества пикселей для использования в проекте.

Для понимания, какое количество пикселей вам необходимо, и через какое расстояние их расположить нужно, учитывать следующее:

1) С какого расстояния должно быть видно изображение.
2) Какой размер изображения в пикселях вы хотите отобразить.

Расстояние между пикселями определяется исходя из следующей таблицы.

Основное правил для выбора шага пикселя:

15 мм комфортное расстояние просмотра более 17 метров,
25 мм комфортное расстояние просмотра более 30 метров,
50 мм комфортное расстояние просмотра более 60 метров.

Зная размер изображения в пикселях, который вы хотите отобразить, можно посчитать количество необходимых пикселей, например, если размер изображения 32см х 32см с шагом 10мм, то вам необходимо 1024 пикселя.

Из нашего опыта, шаг пикселей 20-30мм комфортен для восприятия.

Иногда, перед пикселями, на небольшом расстоянии устанавливается дополнительный светорассеивающий элемент (лист матового акрила) для уменьшения эффекта «точек».

Также, важно хорошо продумать контент который вы планируете отображать на табло из управляемых пикселей.

ПО для контроллера, который управляет пикселями, позволяет вставлять в проект уже готовую анимацию AVI, GIF, видео в различных форматах и Flash-анимацию, созданную в других редакторах. Что дает возможность создания анимации любой сложности.

Электрическое подключение LED пикселей.

Пиксели подключаются последовательно c с помощью 4-проводного шлейфа. Где два провода цифрового последовательного интерфейса DAT и CLK и два провода питания +5В и минус. Пиксели поставляются в виде гирлянд по 50шт с разъемами на концах.
Максимальный шаг установки 70мм без удлинения, но его можно увеличить. Для этого нужно разрезать стандартный кабель и удлинить его на необходимое расстояние (до 1.5 метров).
Ниже приведена схема подключения пикселей к контроллеру и блоку питания.

Требования по подключению, в случае автономной системы.
1) Пиксели подключаются в виде непрерывной гирлянды, длиною до 2048 штук.
2) Если количество более 2048 штук, то используется контроллер с несколькими выходами, где на каждый цифровой выход можно подсоединить по 2048 пикселов.
3) Питание 5В необходимо подключать через каждые 40-50 пикселей т.е в начале и конце гирлянды.
4) Если последний отрезок пикселей менее 25шт, то питание на конец гирлянды можно не подводить.
5) Если в проекте используется несколько блоков питания, то в месте перехода гирлянды на другой блок питания шина 5В разрывается, как показано на рисунке ниже

6) Оставшиеся провода питания в конце последней гирлянды нужно заизолировать друг от друга.
7) Если изделия планируется эксплуатировать на улице, то лучше гирлянды соединять между собой не через разъемы, а при помощи пайки и изолировать их термоусадочной трубкой
8) Будьте внимательны, пиксель имеет вход и выход, на вход поступают сигналы с контроллера, а с выхода сигналы уходят на входы соседних пикселей.
9) Вход первого пикселя подключается к контроллеру только проводами GND, DAT, CLK.

Назначение проводов пикселя.

Для разных моделей пикселей цвет и назначение проводов может отличаться. Цвет шлейфа в разных партиях может также может отличаться.

Выбор мощности блока питания

Расчет необходимой мощности блоков питания производится из расчета количество пикселей N умножить на максимальную мощность пикселя 0,6Вт и умножить на коэффициент 1,2

Например, в проекте используются 1024 пикселя, умножаем на максимальную мощность пикселя 1024 х 0,6 = 614.4 Вт и множим полученную мощность на коэффициент 1,2, получим 737.28Вт. Источник питания с такой мощностью или большей на напряжение 5В нам нужно использовать или можно использовать несколько источников питания меньшей мощности, если берем три источника питания то мощность каждого должна быть не менее 738/3=246Bт.

Выбор контроллера

Из выше изложенного, теперь мы можем определить, какое количество пикселей будет участвовать в проекте. Выбор конкретной модели контроллера зависит от общего количество пикселей в проекте. Если до 2000 пикселей, то достаточно контроллера CS1. Он имеет один порт для подключения пикселей. Если больше 2000, но меньше 4000, то нужно взять контроллер CS2, который имеет два порта, каждый для управления 1024 пикселами. И т.д.
При использовании много-портовых контроллеров желательно равномерно распределять пиксели по портам.

Например:

В проекте используется 2150 пикселей, применен контроллер CS2, у которого 2 выхода. Тогда на первый порт пойдет 1074 шт, второй – 1074 шт.

Рассматриваемые пиксели их еще называют «палец», устанавливаются в отверстие диаметром 12 мм в любом материале толщиной 2-3 мм. Поверхность может быть как плоской так и криволинейной (дуга, цилиндр, шар и т.д.)

Габаритно-установочные размеры пикселей

1) LED-пиксели монтируются в виде непрерывной гирлянды, с подключением питания через 40-50 шт.
2) Отверстия необходимо стараться размещать в сетке с одинаковым шагом, это упростит создание программы на PC .

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1. Можно на этих пикселях собрать видео экран (медиа фасад)?
Ответ. Смотря что вы подразумеваете под видеоэкраном, вы можете на этих пикселях собрать полноцветное табло на котором можно проигрывать простую анимацию и flash-ролики.

Полноценный видеоэкран с высокой частотой обновления информации и большим разрешением более 240х320 собрать проблематично.

Предлагаемые нами контроллеры позволяют воспроизводить анимационный ролик, заранее записанный в память контроллера. Этот ролик можно сделать в любом видео-редакторе или редакторе Flash-анимации и он может содержать любую графику, в том числе и текст.

Вопрос 2 . Можно ли увеличить стандартное расстояние между пикселями.
Ответ. Да можно в разумных пределах.
Пиксели управляются по цифровому протоколу SPI. Этот протокол не защищен от электромагнитных помех. Увеличение длины между пикселями может привести к полному отказу системы или периодическим «промаргиваниям».
На длинный кабель могут влиять различные факторы:
1) Сопротивление провода
2) Частота сигнала CLK. Чем выше частота CLK, тем меньше удлинение можно выполнить.
3) Электромагнитные помехи. Наличие в непосредственной близости силового кабеля или приемо-передающей антенны может привести к непредсказуемому результату.
Если удлинять необходимо, рекомендуем следующее:
1) Снизить частоту сигнала CLK до минимально возможного значения. Внимание: уменьшение частоты приведет к уменьшению скорости "перерисовки" анимации.
2) Для удлинения применять 8 жильный кабель типа сетевого компьютерного в экранирующей оплетке. Для питания использовать по 3 провода, на сигналы DAT и CLK по одному. Экран соединить с минусом (GND). Причем провода DAT и CLK должны быть «свиты» относительно GND по отдельности.
Данные рекомендации не являются полной гарантией результата.

Ученые вывели слово "HI" на дисплей, созданный по новой технологии

Исследователи из Университета Центральной Флориды создали технологию, позволяющую заменить в дисплеях субпиксели разных цветов (RGB) на один пиксель, меняющий свой цвет в зависимости от приложенного напряжения. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Современные цветные дисплеи используют RGB-схему, в которой каждый пиксель состоит из трех субпикселей красного, зеленого и синего цвета. За счет изменения интенсивности субпикселей можно смешивать три основных цвета и получать миллионы различных оттенков. Однако такая схема увеличивает сложность устройства и расходует на каждый пиксель в три раза больше площади.

Исследователи решили создать технологию для дисплеев, которые смогут обойтись без субпикселей. Их работа основана на предыдущей , в которой для покрытия пикселем всего видимого спектра ученым приходилось использовать несколько наноструктур. В новом исследовании ученым удалось создать универсальную структуру, которая меняет цвет в диапазоне видимого света только в зависимости от напряжения.

Основу пикселя составляет подложка, по форме напоминающая картонную упаковку для яиц, которая была покрыта слоем алюминия. Над ней находятся поляризатор и прозрачный электрод. Между подложкой и верхним слоем расположены жидкие кристаллы, ориентацию которых можно менять с помощью электрода. Верхний слой жидких кристаллов всегда направлен параллельно поляризатору из-за взаимодействия с ним.

Структура пикселя

Daniel Franklin et al. / Nature Communications, 2017

Смена цвета происходила следующим образом. Пиксель облучался светом, который попадал на подложку и из-за возникновения на поверхности плазмонного резонанса частично поглощался. Непоглощенный свет отражался и выходил из пикселя. Меняя напряжение на электроде, исследователи меняли ориентацию жидких кристаллов, за счет чего менялась поляризация падающего на подложку света. Это определяло характеристики плазмонного резонанса и в конечном итоге - частоту выходящего из пикселя цвета.

Устройство, выполненное по такой схеме, может быть реализовано с помощью уже существующих технологий, что и продемонстрировали ученые. Они создали дисплей, подсоединили его к компьютеру и вывели на него статические и динамические изображения. Необходимо отметить, что такой экран нельзя считать цветным дисплеем в классическом понимании. Его цветовой охват можно представить в виде одномерной линии в двумерном цветовом пространстве и точки в синей области пространства.

Цифровой светодиодный RGB пиксель (LED RGB PIXEL)

Термин светодиодный пиксель используется применительно к устройствам отображения информации (экраны, мониторы и тд)

В нашем понимании светодиодный RGB пиксель - это электронное устройство с использование RGB светодиода(ов) и специализированной микросхемы управления.

В быту и интернете эти устройства называют: умный пиксель, умный светодиод, интеллектуальный светодиод, цифровой светодиод, смарт пиксель (smart pixel), флеш-модуль, dreamled и тд.

Главным отличием RGB пикселя от простого RGB модуля является наличие специализированной микросхемы (pixel driver). Что позволяет программировать каждый пиксель в гирлянде отдельно, создавая яркие, сложные и уникальные видео (анимационные) эффекты.

Совсем недавно светодиодные пиксели были больших габаритов, и использовали протокол DMX512. Применение протокола DMX512 резко ограничивало возможности применения светодиодных пикселей как по количеству так и по возможностям программированию.

Развитие современной электроники позволило резко уменьшить габариты пикселей и применить более скоростные шины передачи данных. Что практически сняло ограничения по количеству пикселей в проекте и значительно увеличило частоту "перерисовки". Появление "недорогих" программируемых контроллеров дало возможность создавать уникальные динамические системы практически любой сложности.

Независимо от конкретной модели светодиодный пиксель состоит из корпуса, платы, микросхемы управления (IC), и от одного до нескольких светодиодов.

Рассмотрим составные части пикселя

Светодиоды.

SMD LED Наиболее часто в светодиодных пикселях применяются обычные RGB SMD 5050 (3 в 1) светодиоды. Они обеспечивают высокую равномерность свечения. Яркость обеспечивается увеличением количества светодиодов в пикселе (до 18 шт). Для помещений рекомендуем использовать пиксели только на SMD светодиодах.
DIP LED Реже в пикселях применяются выводные светодиоды (R+G+B), несмотря на более высокую яркость, они обладают плохой смешивающей способностью. Рекомендуется используется для наружных применений.

Микросхема управления.

На рынке представлено огромное количество микросхем управления для пикселей. При том один и тот же тип пикселя может быть изготовлен на разных микросхемах управления.

Грубо микросхемы управления можно разделить на 3 группы

- однопроводный интерфейс управления.

К этому классу относятся TM1803, TM1812, UCS1903, UCS1904, UCS1909, TLS3001, TLS3002, TLS3003 и тд.

Пиксели на этих микросхемах соединяются по трех-проводной схеме. Два провода питание и один сигнальный.

- двухпроводный интерфейс

LPD6803, LPD6806, MY9221, WS2801, MBI 6020, MBI 6024, DM412, D705, MBI 6030, SM16176 и др.

Пиксели на этих микросхемах соединяются по четырех-проводной схеме. Два провода питания и два сигнальных.

- 3-проводный и более интерфейс

DM413, MBI 5030, MBI 5031, AUR6352, AUR6353, HL1609, MY9231, MY9293,

Пиксели на этих микросхемах соединяются по пяти-проводной схеме. Два провода питания и три сигнальных.

Мы отдаем предпочтение пикселям на базе микросхем LPD6803 (5 bit) и WS2801 (8 bit).

Вопрос . B какие лучше 5 битные или 8 битные пиксели.

Ответ . С точки зрения частоты обновления, то 5 битные микросхема однозначно лучше, она на 33% быстрее.

С точки зрения кол-ва цветов, для 5 бит - 32768 цветов, для 8 бит – 16 млн., то 8 битная микросхема однозначно лучше.

Для применений, где не будет плавных переливов (градиентные переходы), и будут использоваться контрастные быстрые переходы рекомендуем использовать пиксели на базе микросхемы LPD6803.

Для применений где основной «упор» делается на плавность переходов рекомендуем пиксели на базе микросхемы WS2801.

Корпус.

Корпусное исполнение пикселя определяет сферу его применения. В подавляющем большинстве предлагаемые нами пиксели имеют высокую степень защиты, что позволяет применять их как на улице так и в помещении. Зачастую корпус пикселя изготовлен и пластика, что требует дополнительной защиты от ультрафиолетового излучения.

RGB LED Pixels - цифровая система состоящая из RGB-светодиодов (полноцветных), где у каждого светодиода имеется свой контроллер. Т.о. для каждого пикселя (RGB-светодиода) можно задать свой цвет, что позволяет создавать различные светодиодные решения. Подобным образом устроена цифровая RGB-светодиодная лента.
В каждом RGB LED-модуле или пикселе (в дальнейшем будем придерживаться данной терминологии, подразумевая, что это один полноцветный светодиод), контроллер управления (драйвер LED) и сам светодиод помещены в силиконовый водонепроницаемый корпус.

В данной статье мы рассмотрим 2 типа самых популярных на сегодняшний день RGB LED пикселей: диаметром 12мм и 20мм. И тот и другой тип имеют подобные чипы контроллеров, но содержат разные светодиоды и отличаются формой.

Итак, немного характеристик RGB LED-модулей:
- диаметр пикселей 12мм и 20мм
- 4-х проводная шина
- в 20мм пока что используется контроллер LPD6803. 12мм могут идти с контроллером WS2801 или LPD6803
- в LPD6803 (даташит) используется 15 битный цвет (5 бит на каждый цвет)
- в WS2801 (даташит) используется 24 бит (8 бит на цвет)
- питание 5В, потребление максимум 60мА на 1 пиксель (когда на максимум выставлены все цвета, т.е. отображается белый цвет)
- 2-пин SPI-подобный протокол связи

Теперь, небольшое видео иллюстрирующее работу 12мм RGB LED пикселей:

Силиконовые корпуса у этих пикселей немного больше 20мм, но если будете сверлить отверстия под них, то само отверстие лучше просверлить точно 20мм, RGB-пиксель точно туда войдет и будет плотно сидеть. В этих пикселях используются RGB-светодиоды 5050и они ярче чем 12мм пиксели. Однако, у них не очень хорошее смешивание цветов: если приглядеться, то можно увидеть составляющие цветов одного RGB-пикселя.

Максимальный ток потребления одного RGB модуля составляет 60мА, по 20мА на каждый цвет.

12мм пиксели немного вытянутее чем их 20мм собратья. В них используются 8мм светодиоды, которые менее яркие чем те, которые стоят в 20мм RGB-модулях. Но зато у них отличное смешивание цветов!

Энергопотребление точно такое же, как и у 20мм пикселей.

Расстояние между пикселями

Между собой RGB-пиксели соединены при помощи 4-х жильного плоского кабеля. Расстояние между ними разное, к примеру у рассматриваемых 20мм модулей оно составляет 63мм, а у 12мм расстояние составляет 90мм. Естественно, его можно увеличить, разрезав стандартный кабель и удлинив его на необходимое расстояние.

Применение

На представленных ниже видео, вы можете посмотреть различное применение RGB LED Pixels:

Контроллеры RGB LED

В каждом корпусе RGB-пикселя содержится микрочип - драйвер управления RGB-светодиодом. В основном сейчас используются WS2801 или LDP6803. Работают чипы очень просто - последовательные данные принимаются на одну ножку чипа, обрабатываются и транзитом выходят на другую ножку чипа. В чипе LPD6803 используется последовательность из 16 бит (15 бит данные цвета и 1 стартовый бит), в WS2801 задействовано 24 бита данных.

Т.о. если необходимо записать данные в 10 RGB LED пикселей, то необходимо передать последовательность из 10 * 16 или 24 бит.

Теперь рассмотрим различия между этими двумя драйверами.

LPD6803
Данный чип позволяет вручную управлять ШИМ яркостью цвета. Чем быстрее будет ШИМ, тем цвета в RGB LED будут более смазанные, однако частота ШИМ не может быть очень быстрой из-за задержки в чипах.
Следует заметить, что частота тактирования ШИМ такая же как и у данных, что позволяет сэкономить нам один вывод МК. Это хорошо, но к примеру на Arduino реализуется только при помощи прерывания.

WS2801
Этот контроллер более функциональный, помимо 24 битного цвета здесь используется встроенный ШИМ. Это экономит ресурсы управляющего микроконтроллера и в нем уже можно обойтись без прерываний.

Питание

Как уже было сказано выше, каждый RGB-светодиод может потреблять до 60мА от 5В источника питания. Соответственно при 20 RGB-пикселях максимальный ток потребления составит уже 1.2А, а при 25 - 1.5А. Естественно, это когда все светодиоды горят белым цветом (при белом цвете горят все 3 составляющие RGB светодиода).
Для такого количества пикселей необходимо использовать как минимум источник питания 5В, 2А. А можно поступить проще и воспользоваться старым ATX-блоком питания от компьютера (см. ) который обеспечивает ток до 30А. Не забудьте соединить вместе "земли" блока питания и вашего контроллера.

Подключение

Отличительной особенностью рассматриваемых RGB модулей является то, что они с цифровым управлением, а это значит, что для управления используется всего 2 провода (clock и data) и можно подключать столько RGB-пикселей, сколько вам нужно. Плюс 2 провода питания.

Однако не стоит забывать, что это не общая шина, где все пиксели включены в параллель. Проводники питания (5В и GND) включены везде параллельно, а вот управляющие линии в каждый RGB-пиксель подключены в "вход", соответственно выходящие линии к "выход", т.е. в разрыв.

Когда будете подключать к микроконтроллеру, то обратите внимание, чтобы к МК подключался вход "input" от RGB-пикселя. Для этого, обычно на платке подключения присутствуют стрелочки. К примеру на рисунке выше, большая стрелка в верхнем правом углу - это выход, а напротив нее, слева, находится вход. Далее, все остальные RGB LED пиксели подключаются от выхода к входу.

Рассмотрим практический пример подключения и использования с контроллером . Максимальный ток, который может обеспечить плата Arduino, составляет 500мА, поэтому необходимо использовать внешний более мощный источник питания.

Для RGB-пикселей с использованием контроллера LPD6803 красный провод необходимо подключить к +5В блоку питания, зеленый - к цифровому выводу 3 контроллера Arduino, желтый - к 2 цифровому выводу и наконец синий провод к минусу блока питания и GND контроллера Arduino.
Цвета проводников, при использования контроллера WS2801 могут отличаться! Поэтому перед подключением внимательно изучите инструкцию.

12мм RGB-модули бывают как на контроллере WS2801, так и на старом LPD6803. Отличить их просто - для этого достаточно прочитать надпись на плате.

Учтите, что цвета проводом для контроллера WS2801 могут отличаться!

Программа для LPD6803

Учитывая то, что управление ШИМ чипа и линию данных можно обьединить, программа очень проста. В библиотеке используется прерывание, которое вызывается каждые несколько миллисекунд. Если данные пришли, то они пересылаются, если нет, то на выходе Arduino сохраняются импульсы, чтобы поддерживать частоту ШИМ. Для прерывания используется Timer 1.
Код программы базируется на bliptronics , саму библиотеку и пример можно скачать с GitHub .

Немного разъяснений по использованию библиотеки и strandtest.pde. Инициализация объекта происходит вызова процедуры с 3 параметрами: количеством RGB LED пикселей, указанием вывода data и clock.

LPD6803 strip = LPD6803(20, dataPin, clockPin);

Следующим этапом происходит вызов setup():

Void setup() { strip.setCPUmax(50); // start with 50% CPU usage. up this if the strand flickers or is slow // Start up the LED counter strip.begin(); // Update the strip, to start they are all "off" strip.show(); }

setCPUmax() - конфигурирует Timer1 для выдачи прерывания, чтобы обеспечить работу ШИМ, контроллера RGB LED. Значение может быть от 0 до 100.

begin() - начинает работу прерываний

show() - обновляет состояние всех RGB-пикселей. Данную функцию необходимо вызывать после того, как сделаны все установки для цветов и теперь их необходимо отобразить. Функция обновляет все RGB LED за раз, даже если вы обновили цвет только одного пикселя. Т.к. данные передаются сразу для всех RGB LED.

И напоследок, рассмотрим пример функции colorWipe . Функция создает подобие бегущего огня с изменением цвета. Это обычный цикл с инкрементированием пикселей (для подсчета общего количества пикселей удобно пользоваться функцией numPixels() ) и установкой цвета от (инкремент i) к c. В данном случае цвет сохраняется в 16 битной переменной. Затем, записанные данные передаются в RGB LED дисплей для отображения, командой show(). И в конце цикла, небольшая задержка.

Снизу, приведена функция Color(), которая преобразовывает 8 битные Red, Green и Blue цвета в один 15-битный RGB-цвет для контроллера LED. Т.о. максимальное десятичное значение для каждого цвета составляет 31.

// fill the dots one after the other with said color // good for testing purposes void colorWipe(uint16_t c, uint8_t wait) { int i; for (i=0; i Пример вызова функции полного заполнения каждым цветом, с паузой 50мс между заполнением. colorWipe(Color(31, 0, 0), 50); // red fill colorWipe(Color(0, 31, 0), 50); // green fill colorWipe(Color(0, 0, 31), 50); // blue fill

Программа для WS2801

Программа для данного контроллера аналогична LPD6803, но немного проще, т.к. нам не требуется постоянно выдавать сигнал от прерывания для ШИМ.

Bluetooth