Würth Elektronik ICLED FeatherWing
Würth Elektronik ICLED FeatherWing je najbolji smart RGB matrix koji smo do sada sreli. Rezolucija od 7 x 15 je gotovo maksimum u ovom tehnološkom trenutku koji se na ovako malom prostoru može postići.
Pros
- Širok spektar reprodukcije boja koji ima uniformu svetlinu sve vreme
- Brz odziv matrix-a omogućava osvežavanje na čak 150 Hz
- Mogućnost serijskog povezivanja više modula
- Odličan SDK
- Usaglašen sa ostalim FeatherWing modulima Wurth Elektronik ekosistema
Cons
- Cena može biti problem
ICLED je Würth Elektronik ime koje se odnosi na RGB LED diode koje u sebi pored tri polja izvora svetlosti (R: crveni, G: zeleni i B: plavi) imaju integrisano IC kolo koje PWM signalom kontroliše intenziteta svakog od ta tri izvora, pa se time ostvaruje precizna kontrolu boje i intenziteta dobijene svetlosti. Ovako realizovane diode se kod drugih proizvođača mogu naći i pod imenom: adresibilne LED, smart LED, NeoPixel, SmartPixel i slično. Za razliku od standardne analogne višebojne diode kojoj je potrebno eksterno kolo za kontrolu, ovako realizovanom ICLED-u se pristupa direktnim slanjem podešavanja ugrađenom IC-u.
Šalje se osam bitova za svaki od izvor, što znači da je potrebno poslati 24 bita po jednom ICLED elementu. ICLED elementi se međusobno povezuju serijski, tako što se na data izlaz (DO) prvog, povezuje data ulaz (DI) drugog. Ponavljanjem sa svakim sledećim elementom stvara se niz. Vrlo česta primena je formiranje trake ili prstena ovakvih diodnih elemenata. Ovde je pak formiran pravougaonik, a signal se nakon poslednjeg, petnaestog elementa u svakom redu, odvodi u prvi element sledećeg reda. Što je uobičajena praksa.
105 ICLED elemenata tako ovde čini matricu 7 x 15. Signal se SPI interfejsom dovodi prvom elementu, on očitava prva tri bajta (24 bita) i setuje tri svetlosna izvora u skladu sa dobijenim podacima, a ostatak informacija prvo regeneriše, pa šalje sledećem ICLED elementu. Na taj način se kondicionira signal i obezbeđuje njegov kvalitet i kod velikog broja vezanih elemenata u nizu. Nakon 105 x 3 = 315 bajtova kojim se definišu stanja svih elemenata, šalje se „Reset Code“ u obliku niskog logičkog nivoa u trajanju minimalno 200 µs, i tek tada je prvi element opet spreman da preuzme nova 3 bajta podataka. (Obratite pažnju da je na zvaničnoj ilustracija pogrešna oznaka milisekudi)
Sa 8 bita se može definisati 256 nivoa intenziteta monohromatskog izvora svetlosti. Ukupan broj kombinacija sa tri izvora je 256 x 256 x 256 = 16.777.216 nijansi, što je takozvani „True colour“ spektar, jer pokriva kompletan opseg vidljivih boja za ljudsko oko. Na grafiku ispod vidi se odnos relativnog intenziteta svetlosnih izvora i njihove talasne dužine. Treba primetiti da su intenziteti relativni, tj normalizovani u odnosu na maksimalni intenzitet svakog od izvora, koji je u realnost najveći za zeleni, a najmanji za plavi spektar pri maksimalnoj vrednosti PWM signala. Čak i tada se softverski ograničava zbir PWM vrednosti u jednom trenutku za sva tri signala na 210 – time se ujednačava svetlina, ali i ograničava potrošnja, odnosno pregrevanje svetlosnog elementa.
Brzina slanja podataka SPI interfejsom može biti u rasponu od 1 do 50 Mbps što zavisi od karakteristika mikrokontrolerskog izlaza. Tipično vreme trajanja jednog bita je 1250 ns po specifikacijama Würth Elektrik ICLED-a, pa treba prilagoditi brzinu. U skladu sa time potrebno je odrediti i broj potrebnih bitova za generisanje reset koda adekvatnog trajanja.
Trenutna potrošnja električne energije svakog elementa zavisi od svetline i broja aktivnih izvora. Najveća je ukoliko su sva tri izvora aktivna generišući belu svetlost maksimalnog sjaja od 16.000 cm/m2, međutim usled softverskih i hardverskih ograničenja maksimalan sjaj je ipak 10.000 cm/m2. Posmatrajući krivu radijacije u tom slučaju vidimo da intenzitet svetla opada na 50% pri uglu od 60° , što govori da je takozvani vidljivi ugao 120° (180-60).
U tom slučaju potrošnja po svakom elementu je ograničena na maksimalnih 240 mW. Naime, svaki element se napaja iz 5.5 VDC izvora, a fizički je u procesu proizvodnje struja kroz svaki od diodnih svetlosnih izvora ograničena na 14.5 mA. Tri takve svetlosne diode angažovaće maksimalno (3 x 14.5 mA) x 5.5 VDC = 240 mW.
FeatherWing hardver
Kako bi prikazao mogućnosti svojih ICLED dioda Würth Elektrik je napravio LED matrix displej u FeatherWing formatu. On je time pogodan za upotrebu u Feather ekosistemu, ali i kao dopuna Würth FeatherWing seriji. Mi smo do sada u ovom formatu na recenziji imali Sensor, MagI3C i Calypso FeatherWing koje smo takođe dobili od proizvođača. Napomenimo da Würth proizvodi i namenske RGB LED diode sa prilagođenim spektrom potrebama biljaka i da o tom kitu možete pročitati više u našoj „LED it grow“ recenziji.
Ovaj ICLED FeatherWing dolazi sa zalemljenim pinovima sa donje strane, što je i logično jer bi se on, kao displej, pri slaganju uvek našao na samom vrhu. Od pinova, pored napojnih od 3.3 VDC (i to uslovno) koriste se: pin 5 povezan za jedan od mikrotastera kojim se može inicirati interapt i pin 6 (opciono pin 12 i pin 24) preko koga se SPI komunikacijom šalju podaci u ICLED niz na FeatherWing-u.
Napomenuli smo da je 3.3 VDC „uslovno“ napojni pin. Naime za rad dioda je potrebno obezbediti 5 VDC, a za 105 dioda i 3 A struje, što je ukupno 15 W. Preko napojnog pina na FeatherWing hederu može se napajati par ICLED elemenata, ali on ne može obezbediti dovoljno struje za veći broj ICLED elemenata budući da mu je napon 3.3 VDC. Njegova primarna uloga je kondicioniranje upravljačkih signala. Oni su u opsegu do 3.6 VDC, sa tim da je granica za logičku jedinicu 1.65 VDC. Pravilne napone obezbeđuje šifter nivoa, na slici ispod, sa desne strane između oznaka R5 i R9 otpornika. Napon od 5 VDC obezbeđuje se kroz poseban USB-C konektor na pločici. Würth se potrudio da ga učini što kvalitetnijim, te je na obe VDD linije sa USB-C konektora postavio EMC filtere. Njih čine po dve braon komponente sa obe strane USB konektora. Između njih postavljena su dva crna 5.1 kΩ otpornika neophodna zbog 3 A struje napajanja. Najzad, ispod njih paralelno, ka ICLED matrici su i dve TVS diode kao zaštita od tranzijentnih skokova napona. Vidimo da je Würth pažljivo izveo napojni deo.
ICLED matricu čine Chip LED 2020 (1312020030000) kojima je dovoljan napon napajanja u opsegu 3.3 do 5.5 VDC, pa stoga mogu raditi i napajane preko FeatherWing hedera. Dominantne talasne dužine svetlosti su 470 nm za plavi, 525 nm za zeleni i 625 nm za crveni diodni izvor. Temperaturni radni opseg je industrijski: -40 °C do +85 °C, a izrađuju se sa IP x7 rejtingom, odnosno MSL 3 / MSL 5A.
Na dnu pločice nalaze se dva mikro tastera. Levi je vezan za reset pin mikrokontrolerskog FeatherWing-a, dok je desni vezan za pin 5 i njegovim pritiskom dovodi se nizak nivo signala na pin. Preporuka je da se ovaj taster koristi za generisanje interapta.
Dve galvanizovane lemne rupe, označene sa D0 i DI namenjene su formiranju serijskog lanca od dve ili više ICLED FeatherWing pločice. Leva DO je izlazna linija preko koje se prosleđuje signal nakon poslednje, 105. diode ka prvoj diodi sledećeg FeatherWinga i dovodi se na njegov DI ulaz koji je desno.
Softver
Würth Elektronik tim je dao podršku za razvoj u skladu sa pravilima otvorenog-koda kao SDK sa bibliotekama i primerima za C/C+ u Arduino stilu na svom GitHub sajtu. Preporučeno okruženje za razvoj pretpostavlja dodatni Adafruit M0 Express FeatherWing i rad u PlatformIO-u. Primeri su i dati za tu kombinaciju hardvera i IDE-a.
Biblioteke koje su specifično namenjene za ICLED FeatherWing su ICLED, ASCII_character i emoji_symbol. Poslednje dve imaju definicije karaktera i par emodžija, a funkcionalno posebno interesantna je ICLED biblioteka. Ona pored funkcija za inicijalizaciju panela kojima se određuje i kolorni mod rada (RGB ili HSL – drugi olakšava kreiranje prelaza po srodnim bojama) ima i onu za detekciju položaja ploče (horizontalno ili vertikalno).
Osnovne funkcije za ispis su aktiviranje jedne „tačke“ definisanjem: rednog broja, koda boje i osvetljenja dode, a druga služi za promenu boje svetlosti celog ekrana. Da bi se omogućio efekat skrolovanja sadržaja ekrana, potrebno je pre šiftovanja u memoriju kontrolera uneti definiciju novog grafičkog elementa i pozicionirati ga van okvira displeja ili u okvirima sasvim novog displeja ukoliko se izvodi efekat smene više sadržaja ekrana. Stoga razlikujemo komande za definisanje stanja svakog od diodnih elemenata koje odmah menjaju boju određenog ICLED elementa i one koje to rade u memoriji. Vrednosti za vidljivi prozor se prilikom promene prikaza povlače iz memorije.
Odlično je što demo koji je dat može koristiti i Sensor FeatherWing i ProteusIII FeatherWing, pa se matrični displej pretvara u informativni sa podacima o temperturi i vlažnosti prostorije uz mogućnost da se podaci prate preko bežične mreže.
Zaključak
Od Würth Elektronik smo, kao i uvek do sada, očekivali odličan proizvod. I ovim su potvrdili da i „običan“ smart LED displej može da se napravi izvrsno. Ovo je pre svega razvojni i demo FeatherWing koji se može koristiti i u nekom FeatherWing projektu kao signalni displej. Generalna namena ICLED elemenata jeste građenje diodnih nizova kojima se rešavaju zahtevi u proizvodima za opštu namenu, industrijskim kontrolnim sistemima (budući da su industrijska klasa proizvoda) i opremi za električna vozila. Česte primene su i u pametnim zgradama, za pametnu rasvetu i svetlosno opremanje gejmerskih prostora, kao i realizacija dekorativne rasvete.
Zbog malih fizičkih dimenzija ICLED elemenata bilo je moguće realizovati 7 x 15 matricu sa 105 dioda ne izlazeći iz FeatherWing formata. NeoPixel matrica u ovom formatu je zbog veličine elemenata samo 4 x 8 što ne daje velike grafičke mogućnosti i onemogućava ispis karaktera po horizontali. Adafruit 15 x 7 CharliePlex LED Matrix FeatherWing ima istu ovu rezoluciju sa 105 elemenata, ali je to naćalost jednobojna LED matrica.
Jedini izazov je cena ovog modula od $54.75 koja će mnogima biti daleko više nego što su spremni da izdvoje za 7 x 15 LED matricu. Mada moramo biti realni, cena jedne ICLED diode je $0.46 pri kupovini 100 komada, tako da za $6.34 dobijate sve ostalo.
