Особенности и принцип действия пиксельных (адресуемых) светодиодных лент

Особый класс управляемых светодиодных (LED) источников света составляют так называемые пиксельные светодиодные ленты.

Здесь, как и в многоцветных RGB лентах и модулях, используются трехцветные светодиоды с красным (R), зеленым (G) и синим (B) свечением.

Принципиальная особенность заключается в том, что кроме светодиодов, непосредственно на ленту или внутрь модулей, монтируются микросхемы управления, в следствии чего появляется возможность управлять не только всеми светодиодами одновременно, но и каждым светодиодом или группой из нескольких светодиодов по отдельности. Эта группа называется «пиксель». В разных типах ленты содержится разное количество светодиодов в пикселе. LED-ленты и модули с напряжением питания 12В обычно имеют по 3 RGB светодиода на пиксель, 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.

Работой пиксельных светодиодных лент управляют пиксельные контроллеры, которые формируют цифровой сигнал управления. Существуют различные типы контроллеров:

  • Контроллеры с фиксированным набором динамических эффектов, запрограммированных на заводе при изготовлении контроллера. В таких контроллерах пользователь может выбирать программы из имеющегося списка и регулировать скорость их выполнения. Подобные контроллеры могут содержать в своей памяти до 300 программ различных динамических эффектов.
  • Контроллеры, выполняющие программы, записанные на SD карту. Программы световых эффектов для таких контроллеров создаются пользователем на компьютере с использованием специализированного программного обеспечения и записываются на SD карту.
  • Контроллеры, работающие под непрерывным управлением компьютера (On Line). Программы в этом случае также создаются пользователем на ПК и там-же выполняются. Контроллер к компьютеру обычно подключается через порт USB или по локальной сети, используя сетевую карту компьютера.
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.
Для управления драйверами пиксельных светодиодных лент используют цифровой интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный интерфейс)
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.
С появлением новых драйверов, список используемых микросхем пополняется.
Ниже приведены структурные схемы SPI лент и их подключение к контроллеру.
Структурная схема SPI светодиодной ленты с двумя линиями управления (DATA и CLK):
Структурная схема SPI светодиодной ленты с одной  линией управления (DATA ):