/*
 * an experiment of WS2812B, with LPC810
 *   by uratan! 2014.10.29
 *     revised 2016.11.16
 */

始まりは WS2812B を 3.3V ロジックで駆動できた(？)こと、マンガ ハルロックで 米粒AVR を知ったこと、
それから…

目次

・ WS2812B の駆動タイミングの限界調査
・ WS2812B の消費電流調査
・ テストベンチ by LPC810
・ .....
・ VIH 問題にけりをつけたい… [2016.11.06]

WS2812B の駆動タイミングの限界調査

WS2812B の駆動信号のタイミングは、データシートを読む限りは 「うまいシステム構成なのはわかるが 実際には どうするの？？？」な 仕様に見えます。

つまり UART を 2.5Mbps で使って…とか、SPI で SCK=20MHz をベースに…、とか 内蔵周辺回路を なんとか応用できないものか考えましたが、今ひとつ しっくり来ません。
      (VDD が 3.5V〜 とか、5V で使って VIH = 0.7 x VDD = 3.5V な点も今ひとつ…だし)

1bit 1bit ソフトで駆動するしかないか…、というところで web で情報を探ったところ、こちらのページ 「 秋月でWS2812B買ってしまったので……」 が なかなかいい観点を突いている。

分からんことはモノに訊け！ というわけで、私も 実際の chip を 調査してみました。(ただし n=1)

以下、背景・青がパルスの幅に関して、背景・赤が パルス間のインターバルに関しての取得波形です。 (TAB に並べて切り替えながら見ると比較しやすいかも)

DIN vs DOUT pulse width comparison / Tpause limit length

DIN: 132nsec --> DOUT: 328nsec	DIN: 236nsec --> DOUT: 328nsec	DIN: 340nsec --> DOUT: 332nsec	DIN: 432nsec --> DOUT: 328nsec
DIN: 536nsec --> DOUT: 656nsec	DIN: 636nsec --> DOUT: 664nsec	DIN: 736nsec --> DOUT: 668nsec	DIN: 1.04usec --> DOUT: 664nsec
Tinterval = 6.72usec --> operation continued	Tinterval = 6.88usec --> operation dis-continued	(empty)	(empty)

波形がたくさんあるのでアレですが、要は以下の通りです。

• 432nsec までのパルスは '0' として判別される。 (132nsec のパルスでも '0')
  
• 536nsec 以上のパルスは '1' として判別される。
• DOUT 出力は判別された論理に従って新規のパルスが出力される。
• その DOUT 出力においては、T0H=330nsec、T1H=660nsec である。
• インターバル 6.7usec 程度を境に Treset として判別され、 中継処理が中断される。
      (しかしながら これは誤点灯になります)

つまりデイジーチェーンの先頭を きちんと駆動できれば、 その後は間違いようがない (というか こちらの制御下にない) ということになります。
      (デイジーチェーンはハード構成が簡便ですが、 途中の chip が壊れると その後は道連れとも)

VDD=5V ですが DIN を 3.3V 駆動してまして、こちらも とりあえずは 問題とはならなそう…。(？)
      (2段目以降は 5V に整形されるのは上と同じ)

そしてここで、整形された DOUT 出力が 333nsec/666nsec 相当なのですから、 初段の駆動も 333nsec/666nsec で全く十分なのではないのか… ！？

WS2812B の消費電流調査

次に、WS2812B の消費電流の調査結果を。

調査対象は adafruit の これ→ NeoPixel 1/4 60 Ring
輪っかにして 60個つなぎました。電流はテスターで測定。

power consumption by 60x WS2812B

condition		parameter	consumption current (VDD=5V)			supplement
			G	R	B
no-lighting		GRB = 0x00_00_00 x60	53.0mA (4.85V)			(range: 200mA)
lighting only 1 LED		G | R | B = 0x10 x1	53.3mA	53.4mA	53.3mA
		G | R | B = 0x20 x1	54.2mA	54.3mA	54.3mA
		G | R | B = 0x30 x1	55.2mA	55.4mA	55.3mA
		G | R | B = 0x40 x1	56.2mA	56.4mA	56.4mA
		G | R | B = 0x60 x1	58.3mA	58.6mA	58.4mA
		G | R | B = 0x80 x1	60.3mA	60.7mA	60.5mA
		G | R | B = 0xC0 x1	64.3mA	65.0mA	64.7mA
		G | R | B = 0xFF x1	68.3mA	69.1mA	68.8mA
		GRB = 0x40_40_40 x1	62.8mA
		GRB = 0x80_80_80 x1	74.7mA
		GRB = 0xC0_C0_C0 x1	86.4mA
		GRB = 0xFF_FF_FF x1	97.6mA (4.67V)
lighting	0 LED	GRB = 0x00_00_00 x60	0.05A (5.03V)			(range: 10A)
	1 LED	GRB = 0xFF_FF_FF x1	0.10A
	2 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x2	0.15A
	3 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x3	0.20A
	4 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x4	0.25A
	6 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x6	0.35A
	8 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x8	0.44A
	10 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x10	0.53A
	20 LEDs	GRB = 0xFF_FF_FF x20	0.95A (4.71V)

個体によって 数mA 程度の差はありますが、 指定値に対するリニアリティは高そうです。

しかし 5V 駆動だと 1 LED あたり最大で 約50mA だから、60個だと… 3A !?
      (いや実際、0x40〜0xff までは要らないです、 もう照明のレベル…)

テストベンチ by LPC810

以上 WS2812B の評価に使用した環境は、8pin DIP マイコンの LPC810 を 使って構築しました。

circuit diagram: ws2812B-14.png   ... 余計なものは野望のためのもの
firmware program: wsmon-021.zip (00README.txt)   ... uart ベースで会話的に使います

上のタイミング調査より WS2812B の駆動は SPI を SCK=3MHz で使い、 以下のようにパルスを発生しています。  (SCK は使用しません)

-->| |<-- 3MHz/333nsec --+ +--+ +--+ +--+ +--+ +--+ +--+ (SCK:) | | | | | | | | | | | | | +--+ +--+ +--+ +--+ +--+ +--+ +-- +-----+ +-----------+ +-- MOSI: | | '0' | | | -+ +-----------+ '1' +-----+

LPC810 の SPI 回路はフレーム長を 1〜16bit まで可変できるので 15bit/frame として使用し、この 15bit で上図のごとく 計 5bit 分の NZR データを生成します。
ですので 1 chip あたり 24bit の輝度データは 5bit ずつ 5回に分けて転送します。

パルス間の時間はマージンが大きいので、25bit 目を 0 とすることで 1 chip あたり きっかり 5回にあわせます。これ波形を見るときに 切れ目がわかっていい感じです。こんな感じ↓

駆動波形の生成にハードウェア (SPI) を使用することのメリットは以下の通りです。

• CPU の速度設定等によらず一定の駆動波形が得られる。
    (CPU clock やコンパイラの影響を受けないようにできます)
• CPU の負荷を ある程度減らせる。
    (通常データの追加は 5usec 間隔で良く、FIFO のない LPC810 でも ダブル)
    (バッファになっているので データのセットは 最大 10usec まで許容されます)
    (パルス間が空いてもいいなら さらに +6.7usec)
  
• CPU の占有度を ある程度減らせる。
    (波形生成処理を最優先・割り込み禁止で行う必要がなくなります。
      (24bit×60個で 1.5msec 以上かかるし！)
    (また 追加タイミング取得に割り込みも使用でき自由度が上がります)

以上、あくまで実験的なアプローチであり、いかなる条件においても 動作を保証する、というものではありません。↓↓↓

※ 今日気がついたこと   [2014.11.1] 3.3V の LPC1830 / LPC810 でも駆動できるじゃん！ と意気揚々だったのですが、ホントにギリギリだったみたいです。 5V 3A のアダプターを用意して別系の装置で駆動してみたらダメでした。 要因の逆類推としては、以下のような状況の模様… 容量 3A の電源がその容量のために各種の抵抗分を考慮してか 出力電圧が 5.2V ほどと高めで、 VIH もそれに伴って上がった。 (ベンチでは 約 5.0V) ベンチ基板を通して LED に電源供給する「電源→回路→LED」の形から、 「電源→LED→回路」の形に変えたため、電圧降下順や配線抵抗などが いっそう不利な条件になった。 DIN への駆動信号の配線が短くなり、リンギングが少々小さくなって、 リンギングで VIH を越えるというモードがなくなった。 (一度越えれば 後はヒステリシスで…なのかな) と言うわけでそれでは、 わざと駆動信号配線を長くするというインチキをしてます。 次はちゃんとレベルコンバータ入れようね…

.....

      これが それ

VIH 問題にけりをつけたい…

奥歯に挟まった小骨のようなコレ、再検証してみました。(2年ぶりか)

リンギングをどう変化させて実験すべきか悩みましたが、 上記現象のとおり まずは線路の長短を変え、 さらにダンピング抵抗を挿入して その大小を可変しデータを取りました。 またオシロのプローブを付けることでの回路への影響をかんがみ、 波形観測あり・なしでの点灯・制御の様子も確認しました。

 
        (GLUE81X / LPC810+=2 が気になる人は こちらへ)

まずは点灯・制御の様子を。 (問題の 5V 3A のアダプター(出力 5.2V)を電源に使っています)

「○ OK」がちゃんと制御・駆動され点灯する、です。 これは (おそらく) リンギングが大きいということになります。 リンギングが抑えられていれば VIH を越えられなくて点灯・駆動できていない すなわち「× NG」となります。

	線路・短		線路・長
ダンピング抵抗	オシロなし	オシロあり	オシロなし	オシロあり
(1) none	× NG	○ OK	○ OK	○ OK
(2) 10Ω	× NG	○ OK	○ OK	○ OK
(3) 100Ω	× NG	× NG	× NG	○ OK
(4) 330Ω	× NG	× NG	× NG	× NG

以上、線路が長い もしくは オシロのプローブをクリップすることで、 リンギングが大きくなりやすい(であろう)傾向が見えます。


次に波形の比較を。これ もちろん「オシロあり」の場合に限ります。

ringing on DIN signal

damping resister	driven by a short wire	driven by a long wire
(1) none	○ OK	○ OK
(2) 10Ω	○ OK	○ OK
(3) 100Ω	× NG	○ OK
(4) 330Ω	× NG	× NG

先の考察、「線路が長い」と「リンギングが大きくなりやすい」 のは間違っていないように思われます。
ここで気になるのは、立ち上がりのリンギングで VIH を越えるのはいいとして、 立下り時のマイナス電圧へのリンギングも対称的に変化します。 これが絶対定格を越えると まずいはまずい ので、 やはり人にお勧めするわけにはいかんですね…。(Y田先生は正しかった)


- * - * - * -


続いて WS2812B を LPC810 (3.3V) で駆動する手法の考察を。

実は 当時 アプローチとして色々試して、個人的に 「単純 open-drain + pull-up ではダメだ」と結論付けていたのです。   (pin 直接はやってなくて、Tr 外付けだったかもしれない…)
            (黎明期 右も左もわかっていない頃の判断は 要因が全部見えてなくて 誤っていることが多いですね (^_^;;)
ところが 「 ボクのLPC810工作ノート 」では、普通に それで 駆動できる／駆動した と書いてあって、 これもちょっと気になっていたのです…。 (初版、ちゃんと買いました、LED は WS2812B そのものではなくて お仲間(?)の PL9823-F5 ですが)

 
        (GLUE81X / LPC810+=2 が気になる人は こちらへ)

以下、波形・回路絵をご覧ください。(リンギングでかいですね…)

手法	波形・回路
(1) 標準の push-pull 駆動
(2) push-pull 駆動に 5V への pull-up-R 付けても影響はない
(3) open-drain 駆動に pull-up 10kΩ	× NG
(4) open-drain 駆動に pull-up 10kΩ+3.3kΩ 並列
(5) level-converter (TC7SET32FU)
(6) WS2812B そのものを level-converter として使う (本 WS2812B の電源は、VIH を下げるために少々低めのものを使います)
(7) 3.3V push-pull 出力と 5V 間を抵抗分圧したらどうだろう
(8) ↑ 悪くなさそう VIL が心配な人は assist も付けられます (misc signal tricks by LPC810)

上記 今回の実験の中で、ターゲットの WS2812B を正常に駆動できなかったのは (3) だけです。(短いパルスが VIH に届いていませんので)
            まぁ (1), (2) もインチキですが…
open-drain + pull-up-R では 線路の容量や相手の入力回路(プルアップ抵抗等 もしあれば)もパラメータとして影響が大きいので、 必ずしも波形が再現するとは限らないでしょう。
            でも 400kbps の I2C ですら 2.2kΩとか使うんだからさぁ…
open-drain + pull-up-R では、 まずは (駆動時間内に) VIH を越えることが必要で、 この際 駆動パルス幅に対して 受け取り側のパルス幅は目減りしますので、 そういった部分のマッチングも要チェックですかね。

で、どれを採用するか…と言われると………、level-converter-IC としか 答えようがない、のだが…。

まだ若干 喉に引っかかっている感じがありますが、とりあえず ここまで。



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p.s.

  LPC810 を しゃぶりつくす基板、 作りました。     (今回ツボに はまって我ながらビックリ (^_^;;;)

[2016.11.16]
ring には 470Ωが、AE-WS2812B には 100Ωが、
入力保護(?)的に直列に挿入されていることに 今更 気付いてしまった……。