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。
<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);
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();
(例) faya_colorSticker.begin();
- 類別名稱.setBrightness(brightness);
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);
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();
- 類別名稱.clear();
====================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)
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:
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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