模組介紹 : faya串列全彩LED模組

學習目標 : 認識faya串列全彩LED模組的功能及使用方式
學習時間 : 60min
示範模組 :  (1) faya brickNano
                     (2) faya串列全彩LED模組x2~6
工具 : (1) 樂高底板(相容)

====================功能介紹====================
faya串列全彩LED模組上，直直的排列了8顆全彩LED(WS2812)，我們把每顆LED當作1個像素(Pixel)，該像素擁有2^8 x 2^8 x 2^8 = 16,777,216 種顏色的變化。

模組的外觀如下，8顆LED的電源、地、訊號線皆已串聯，控制此模組時，只需將Din端的VCC、GND、Din接到Arduino，就可以透過程式用一條訊號線控制模組上的8顆LED了，必要時還可以用Dout埠將訊號串接到下一模組的Din埠，增加LED的控制數量，我們在範例中會介紹。

 

程式控制的部分，透過第三方函式，很輕易的就能秀出想要顯式的顏色，本節先介紹Adafruit公司所提供的 <Adafruit_NeoPixel>函示庫用法，其介面易學易用，非常適合剛接觸的使用者，文章最後會利用另一組函示庫<FastLed>為範例，示範其強大的動態色彩控制效果。

 <Adafruit_NeoPixel>所使用的指令如下 [下載點]

• #include <Adafruit_NeoPixel.h>

        使用Adarfuit_NeoPixel函示庫時，務必指示此函式

•   Adafruit_NeoPixel 物件名稱 = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, Neo_Pin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

       此指令宣告了控制串列全彩LED的規格與參數

    物件名稱 : 可自行命名
     NUMPIXELS : 串接的LED數量
     Neo_Pin : 控制腳位
     
 　 (例) 當我們用Arduino的第二隻腳控制類別名稱為"faya_colorSticker"的串列全彩LED模組上的8顆LED模組時，宣告的程式如下:

     Adafruit_NeoPixel faya_colorSticker = Adafruit_NeoPixel(8, 2, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

•  類別名稱.begin();  

       此指令啟動Adafruit_NeoPixel函示庫功能

(例) faya_colorSticker.begin();

•  類別名稱.setBrightness(brightness);  

       此指令設定了LED亮度　

brightness : 設定每個LED像素的最亮值(0~255)，255最亮

      (例) faya_colorSticker.setBrightness(50);

•  類別名稱.setPixelColor(n,r,g,b);  

       此指令設定了單顆LED色彩　

      n : 選擇第n+1顆LED的顏色，編號從0開始，因此填入0時代表控制第1顆LED
      r : 該像素紅色成份的亮度 (0~255)
      g : 該像素綠色成份的亮度 (0~255)　
      b : 該像素藍色成份的亮度 (0~255)

      (例) faya_colorSticker.setPixelColor(7,255,255,0);
      代表點亮了第8顆LED呈最亮的黃色狀態 (紅+綠=黃)

     註: 每個像素的最大亮值會由setBrightness先決定，再由setPixelColor裡的參數決定最終亮度，例如當setBrightness(50)時，每個像素的亮度已經被限制在50的最大亮度，此時如果再下指令setPixelColor(7,128,0,0); 第8顆LED燈會呈現亮度25的紅色  50x(125/255) = 25

• 類別名稱.show(); 

     下了此指令後，設定好的LED像素才會顯示在LED上

•   類別名稱.clear(); 

      設定像素顏色的參數歸零，配合.show()會讓LED全滅


====================原理知識====================

以下解釋提供給有需要知道背後原理的人:

faya串列全彩LED模組的電路圖如下，由電路圖可看出電源和地的部分已經接到每顆LED，訊號的部分，透過一進一出的方式串接，並且保留最後一個輸出埠Dout，方便串接下一個模組。

 

每顆LED透過一條控制線就能傳送色彩資訊，由於每顆LED(像素)含RGB三種成份，每個成份具8-bit階層，因此一個像素構成需要24-bit的資料。當傳送了72bit資料時，最初的24-bit會被內建的控制器拿來設定該顆(第一顆)LED，25~48 bit用來設定第二顆LED，49~72 bit用來設定第三顆LED燈。

那麼整個系統如何透過一條訊號線就能定義全部像素資訊呢?  原來每個WS2812內建的控制器，都具備了判斷0與1的協定，如下圖所示，當接收到的資料HIGH的時間較短，LOW的時間較長時，代表傳送的資料為0，當接收到的資料HIGH的時間較長，LOW的時間較短時，帶表傳送的資料為1，HIGH和LOW的時間長短在datasheet都有明確定義，但其實使用者是不太需要擔心的，因為我們用的第三方函示庫都已經把傳送0和1的程式把包好了，我們只要照著.setPixelColor(n,r,g,b)指令，把要控制的LED像素參數填入，系統自統會產生對應的時序，發出該有的像素顏色。

以上大概解釋了串接的WS2812 LED如何運作，有興趣的人，可以參照datasheet!

===================範例實作(1)===================
了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:

目標: 
(1)  faya串列全彩LED模組依序顯示[紅橙黃綠青藍靛紫]8種顏色的跑馬燈效果

接線:
(1) 電源線連接
     如下圖所示，我們可以用faya-母對母電源線，外加兩條單心線，從brickNano的電源座提供5V電源給模組，千萬記得紅色的電源線接到VCC，黑色的電源線接到GND。

(2) 訊號線連接
      Arduino_D2  ===>  串列全彩LED模組_Din
     

範例程式:   
(上傳程式前請記得下載[Adafruit_NeoPixel]函示庫，解壓縮並複製整個資料夾到Arduino的Liraries資料夾)

	// 2017/10/18
	// Faya-Nugget 範例程式 (Color_Sticker_1.ino)
	// 單元: 模組介紹:faya串列全彩LED模組
	// 網址: https://fayalab.blogspot.com/2017/09/colorsticker.html
	// 目標: (1) 跑馬燈依序顯示紅橙黃綠青藍靛紫8種顏色
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// D2 ==> 串列全彩LED_Din
	#include <Adafruit_NeoPixel.h>
	#define Neo_Pin 2 //串列全彩LED_Din腳位
	#define NUMPIXELS 8 //串列全彩LED數量
	Adafruit_NeoPixel faya_colorSticker = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, Neo_Pin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
	void setup()
	{
	faya_colorSticker.begin(); // 初始化NeoPixel函示庫
	faya_colorSticker.setBrightness(10); // 亮度設定 (0~255)
	}
	void loop()
	{
	faya_colorSticker.setPixelColor(0,255,0,0); //紅
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(1,255,127,0); //橙
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(2,255,255,0); //黃
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(3,0,255,0); //綠
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(4,0,255,255); //青
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(5,0,0,255); //藍
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(6,43,0,255); //靛
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	faya_colorSticker.setPixelColor(7,87,0,255); //紫
	delay(200);
	faya_colorSticker.show();
	delay(200);
	faya_colorSticker.clear();
	}

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備註:
- L19 : setBrightness裡的參數可以從0~255，大家可以依據應用填入不同的強度值，近看時30就很亮了，強度較高時請勿用眼睛直視。 
- 程式利用Arduino Loop的功能，周而復始的輪流顯示[紅橙黃綠青藍靛紫]8種顏色，顏色的RGB成分配置參考如下圖，大家可以根據自己的喜好修改。

範例結果:

===================範例實作(2)===================

目標: 
(1)  利用2組faya串列全彩LED模組依序顯示16種顏色的跑馬燈效果

接線:
(1) 電源線連接
如下圖所示，brickNano和第一組模組的電源連接方式相同，第一組和第二組的電源線透過兩條單心線串聯下去，要記得VCC接到VCC，GND接到GND。

(2) 訊號線連接
如下圖所示，brickNano和第一組模組的訊號線連接方式相同 (D2=>Din)，接著把第一組的Dout埠和第二組的Din埠用單心線串起來(圖中為黃色線材)。

範例程式:

	// 2017/10/18
	// Faya-Nugget 範例程式 (Color_Sticker_2.ino)
	// 單元: 模組介紹:串列全彩LED模組
	// 網址: https://fayalab.blogspot.com/2017/09/colorsticker.html
	// 目標: (1) 跑馬燈依序顯示紅橙黃綠青藍靛紫8種顏色
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// D2 ==> 串列全彩LED_Din
	#include <Adafruit_NeoPixel.h>
	#define Neo_Pin 2 //串列全彩LED_Din腳位
	#define NUMPIXELS 16 //串列全彩LED數量
	Adafruit_NeoPixel faya_colorSticker = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, Neo_Pin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
	int rainbow16[16][3]={{255, 0, 0}, //紅
	{255, 85, 0}, //橙
	{255, 170, 0}, //
	{255, 255, 0}, //黃
	{127, 255, 0}, //
	{ 0, 255, 0}, //綠
	{ 0, 255, 85}, //
	{ 0, 255, 170}, //
	{ 0, 255, 255}, //青
	{ 0, 127, 255}, //
	{ 0, 0, 255}, //藍
	{ 85, 0, 255}, //紫
	{170, 0, 255}, //
	{255, 0, 255}, //洋紅
	{255, 0, 127}, //
	{255, 255, 255}}; //白
	void setup()
	{
	faya_colorSticker.begin(); // 初始化NeoPixel函示庫
	faya_colorSticker.setBrightness(32); // 亮度設定 (0-255)
	}
	void loop()
	{
	show_rainbow();
	delay(500);
	}
	void show_rainbow() {
	for(int i=0;i<=NUMPIXELS-1;i++) //輪流讀表秀出LED顏色
	{
	faya_colorSticker.setPixelColor(i, faya_colorSticker.Color(rainbow16[i][0],rainbow16[i][1],rainbow16[i][2]));
	faya_colorSticker.show();
	delay(200);
	}
	faya_colorSticker.clear();
	}

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備註:
- 這個範例利用建表的方式，先把顏色數據建好，再透過迴圈依序讀取表格中顏色的數據，減少冗長的程式碼。

範例結果:

===================範例實作(3)===================
目標: 
(1) 利用6組faya串列全彩LED模組展示跑馬燈效果
(2) 透過FastLED範例程式展示

接線:
(1) 電源線連接
(2) 訊號線連接
 以上皆和範例實作(2)的連接方式相同，把模組從2組延伸到6組

安裝函示庫:
請下載FastLED函示庫，解壓縮並複製整個資料夾到Arduino的Liraries資料夾

載入範例程式:
順利安裝FastLED函示庫後，在Arduino的[範例]選單裡面，會多出[FastLED]的範例，我們選擇DemoReel100這個範例程式，如下所示:

修改程式:
此程式修改兩個地方就能執行了
(1) 改第18行的腳位=>  #define DATA_PIN  3  改成  #define DATA_PIN  2
(2) 改第22行的數量=>  #define NUM_LEDS  64 改成  #define NUM_LEDS 48
完成後，接上USB並上傳程式，注意到模組剛接上電時，LED會呈現全亮的狀態，可以先在上方放一張紙，再插入USB，上電後才不會刺眼

備註:
- 本範例透過主程式呼叫了許多跑馬燈效果，大家可以自行取用並修改副程式，展示自已的動態效果。
- 跑馬燈效果順序為 [rainbow, rainbowWithGlitter, confetti, sinelon, juggle, bpm]
- rainbow : 彩虹燈效果
- rainbowWithGlitter : 含閃爍效果彩虹燈
- confetti : 五彩碎紙屑
- sineion : 拖曳跑馬燈
- juggle : 8顆LED一組來回波浪
- bmp : 類似彈簧的動態跑馬燈效果

範例結果:

討論:


- 本章節先介紹Adafruit公司提供的函示庫，很輕易地就能夠控制各個LED的顏色，接下來介紹功能更強大的FastLED函示庫，它內建許多動態效果的函示，除了DemoReel100這個範例，還有10多組範例程式可以下載來看看效果，只要按照範例實作(3)的方式，修改腳位和LED數量，通常就能夠成功下載到我們的faya串列全彩LED模組上了!

- RGB像素配色可參考下圖

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