Einrichtung und Ansteuerung von WS2812B-LEDs

LEDs in verschiedenen Farben
 

Sind Sie in der Stimmung für einen lustige Geschichte? Nun, dann habe ich etwas für Sie. Ich bin ein Design-Ingenieur mit jahrzehntelanger Erfahrung. Ein LED-Projekt zwang mich jedoch kürzlich fast in die Knie. Bis dahin dachte ich, dass LEDs einfach seien und nur an einen Strombegrenzungs-Widerstand und ein Netzteil angeschlossen werden müssten. War es wirklich so einfach?

 

Genau das ging mir durch den Kopf, als ich vor ein paar Jahren an einem Beleuchtungsprojekt für ein Architektur-Modell arbeitete. Bei diesem Projekt waren die Gebäude und Landschaften durch WS2812B-LEDs ausgeleuchtet, eine zu diesem Zeitpunkt neue und beliebte Art integrierter LEDs. Im Gegensatz zu herkömmlichen LEDs ist die Inbetriebnahme hier viel komplizierter als das einfache Einschalten der Stromversorgung. Der Grund hierfür ist, dass sich die LEDs  auf besondere Weise mit dem Mikrocontroller verbinden. Die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Mikrocontroller und der LED ist ein einzelner Draht. Jedoch ist sie im Vergleich zu einer standardmäßig seriellen UART-Schnittstelle sehr zeitkritisch. Zunächst einmal sprechen WS2812B-LEDs uns Nerds an, weil wir für den Betrieb unserer LEDs einen Echtzeit-Prozessor verwenden möchten. Daneben sind Sie jedoch für Projekte nützlich, die rote, grüne und blaue (RGB) LEDs in großen Mengen erfordern. Ganz unabhängig von der Anzahl der LEDs in einem Streifen verfügen die WS2812B-LEDs über nur drei Verbindungen, was wiederum ein Durcheinander bei der Verkabelung vermeidet.

Wie sich die WS2812B von typischen LEDs unterscheidet.

 

Für uns Elektroingenieure bedeutet das Wort LED oft das Schaltzeichen einer Diode mit ein paar Pfeilen, die darauf hinweisen, dass es sich hier um eine lichtemittierende Diode handelt. In der Welt des Elektronik-Designs sind die meisten Ingenieure mit zweipoligen LEDs vertraut, mit einem Anoden- und einem Kathodenanschluss. In eingebetteten System-Designs sind diese LEDs einfach anzusteuern und werden oft als visuelle Anzeigelemente verwendet.

 

Die WS2812B-LED ist jedoch etwas völlig anderes als eine typische LED. Es ist eine RGB-LED, die mit einem intelligenten Steuerungschip in einem einzigen Gehäuse im 5050-Format integriert ist. Sie unterstützt ein Eindraht-Übertragungsprotokoll, wobei Takt‑ und Datensignale mit mindestens 400 kBit/s zur WS2812B gesendet werden, um so den RGB-Wert der LED zu steuern. Die WS2812B-LEDs können durch Anschließen des „Data out“-Pins einer LED an den „Data in“-Pin einer anderen LED hintereinandergeschaltet werden.

 

Dies bedeutet, dass das Einschalten von WS2812B-LEDs mehr erfordert als nur den Anschluss der LED an eine 5V-DC-Stromversorgung. Falls Sie dies trotzdem versuchen, werden Sie feststellen, dass rein gar nichts passiert. Um eine WS2812B in Betrieb zu nehmen, müssen Sie von deren Controller einen gültigen Befehl an die WS2812B aussenden. Während mit nur einem einzigen Befehl die Farbe der WS2812B-LED gewechselt werden kann, ist die Übertragung des Datenpakets etwas knifflig. Da Sie mit einer zeitspezifischen Schnittstelle arbeiten, sind die Logik-0- und Logik-1-Befehle durch deren Rechteckpulslängen definiert. Diese Anleitung liefert Ihnen ein visuelles Beispiel der jeweiligen Längen beider Impulse. Im Gegensatz dazu erfordert eine herkömmliche RGB-LED einfach ein konstantes Signal mit Pulsweitenmodulation (PWM), um Helligkeit und Farbe beizubehalten.

 

Die Notwendigkeit, Datenparameter auf ein Taktsignal zu modulieren, wird Ihre Programmierfähigkeiten und Ihr Verständnis des Mikrocontrollers bis an die Grenzen bringen.  Noch unübersichtlicherwird das Ganze, wenn es für mehrere LEDs auf einem Streifen angewendet wird. Um die Dinge in eine Relation zu setzen: Eine standardmäßige Rolle mit WS2812B-LEDs ist mit ihren insgesamt 150 LEDs normalerweise fünf Meter lang. Meine Erfahrung hat gezeigt, dass ich letztendlich mehr als eine RolleLEDs an eine zentrale Steuerung anschließen musste. Was ist also die Lösung, um diese extravaganten LEDs anzusteuern? Zum Einstieg benötigen Sie zunächst den richtigen LED-Controller.

Wichtige Faktoren bei der Konzeption eines zuverlässigen LED-Controllers für die WS2812B

 

Das Design eines ordnungsgemäß funktionierenden LED-Controllers ist der Schlüssel zum Betreiben eines Streifens mit WS2812B-LEDs. Hierbei gilt es zwei wichtige Faktoren zu beachten: Die WS2812B nutzt eine einzige Leitung für Takt und Daten. Diese Leitung unterstützt eine minimale Datenübertragungsrate von 400 kBit/s. Dies macht die Entwicklung sowohl für den Hardware-Designer als auch den Firmware-Entwickler schwierig.

 

WS2812B-LED-Streifen

Streifen mit WS2812B-LEDs
 

Da die RGB-Parameter innerhalb des Taktsignals selbst moduliert werden, ist mit Blick auf den Mikrocontroller (MCU), der die LED ansteuert, Präzision ein absolutes Muss. Dies gibt den Firmware-Entwicklern zwei Alternativen. Sie können entweder einen hochwertigen 32-Bit-Mikrocontroller mit immenser Rechenleistung wählen oder sich für einen Low-Budget-8-Bit-Mikrocontroller entscheiden. Der 32-Bit-MCU wird die Firmware-Entwicklung vereinfachen, ist aber wesentlich teurer. Alternativ dazu wird die 8-Bit-MCU die WS2812B-Datenpakete eventuell nicht genau genug generieren. Timing ist der Schlüssel bei diesen LEDs. Ein Unterschied von etwa einer Mikrosekunde kann bereits zu einer anderen Farbgebung führen.  Es gibt jedoch einen Weg, dieses Problem zu umgehen: Und zwar können Sie den LED-Treiber in Assemblersprache schreiben. Abgesehen davon sollten Sie mit Blick auf die Firmware-Entwicklung auf ein teures und kompliziertes Unterfangen vorbereitet sein.

 

Ich habe mich bei meinen Projekten letztendlich für die 8-Bit-MCU entschieden. Die einmaligen Entwicklungskosten haben sich deutlich attraktiver dargestellt, als wenn man stattdessen für jeden einzelnen LED-Controller eine 32-Bit-MCU einkaufen würde. Natürlich bedeutete dies eine harte und nervenaufreibende Vorlaufzeit für die Assemblerprogrammierung. So oder so, die Wahl liegt bei Ihnen.

 

Sobald Sie die für Sie passende MCU ausgewählt haben, müssen Sie im Hinterkopf behalten, dass das WS2812B-Signal sehr empfindlich gegenüber externen Störungen ist. Jegliche Designfehler können fehlerhafte WS2812B-Datensignale nach sich ziehen.Optimale Vorgehensweisen, wie die Isolierung von WS2812B-Daten von anderen Hochgeschwindigkeitssignalen und das Kurzhalten von Leiterbahnen, müssen gewissenhaft befolgt werden.

 

Mit diesen Informationen über die WS2812B ersparen Sie sich unnötige Probleme.

 

Bis zu diesem Zeitpunkt mag es Ihnen so vorkommen, als ob alles, was für ein erfolgreiches WS2812B-Projekt nötig ist, ein funktionierender LED-Mikrocontroller ist. Ganz so einfach ist es aber nicht, da kommt noch etwas! Bei Projekten, in denen mehrere Streifen mit WS2812B-LEDs verbunden werden, gibt es ein paar wichtige Details, die das technische Team bei der Montage der LEDs beachten muss.

 

Person, die einen Draht lötet

Schon ein einziger Fehler wird Ihr WS2812B-Projekt ruinieren
 

Die WS2812B-LED-Streifen haben einen hohen Stromverbrauch und verursachen mit ihren 150 LEDs einen Spannungsabfall von 2,0 V. Dies bedeutet, dass zum Betreiben der LEDs eine Stromversorgung mit ausreichend hohem Ausgangsstrom erforderlich ist. Um eine stabile Betriebsspannung zu gewährleisten, müssen die LED-Streifen zudem nach jeweils 150 LEDs über eine positive 5V-7V-Verbindung verfügen. Ohne dies sind zwei Dinge sicher: Verzerrte LED-Farben und unzufriedene Kunden.

 

Wenn Streifen mit WS2812B-LEDs freistehend und manuell verkabelt werden, muss das Löten mit höchster Präzision erfolgen, da die Datenleitung extrem empfindlich auf Störungen oder kalte Lötstellen reagiert. Eine schlecht angeschlossene WS2812B kann dazu führen, dass die LEDs im Gegensatz zu den übertragenen Signalen beliebige Farben darstellen. Das ist das Letzte, was Sie im Rahmen Ihres Projekts wollen.

 

Ob Sie wollen oder nicht, die LED-Beleuchtungsbranche verändert sich. Egal, ob es sich um WS2812B oder ähnliche LEDs handelt, eines sollten Sie im Hinterkopf behalten: Es ist nicht mehr damit getan, LED-Streifen mit einem Netzteil zu verbinden und zu hoffen, dass alles funktionieren wird. Um ein Projekt erfolgreich zum Abschluss zu bringen, bedarf es einer Teamleistung, die über den PCB-Designer hinausgeht.

Sind Sie bereit, Ihren eigenen WS2812B-LED-Controller zu konzipieren? Fragen Sie sich, wie Sie das schnelle WS2812B-Signal am besten routen können? Verzichten Sie nicht auf optimale Vorgehensweisen für das PCB-Design, vor allem bei einem Projekt wie diesem. Eine professionelle PCB-Design-Software wie CircuitStudio kann Ihnen den Einstieg erleichtern.

 

Haben Sie eine Frage zu LEDs? Dann kontaktieren Sie einen Experten bei Altium.

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