Controlando uma fita de LED RGB com a Raspberry Pi Pico

As fitas de LED RGB “endereçáveis”, baseadas no chip WS2812B, são bastante populares para a geração de efeitos luminosos. Estas fitas estão disponíveis em versões para operação a 5V ou 12V, com ou sem proteção para uso externo e em diferentes densidades (número de LEDs por metro). Aprenda neste artigo a controlar uma fita de led com a Raspberry Pi Pico.

Do ponto de vista de programação, a interface destas fitas apresenta alguns desafios, principalmente para microcontroladores mais modestos. É utilizado um único sinal de dados, com a definição dos bits e seus valores sendo feita por temporizações bastante curtas. A rigor, os LEDs não são endereçáveis: não é possível atualizar um LED isoladamente. Para atualizar um LED é preciso atualizar também todos os LEDs anteriores a ele na fita, o que aumenta a quantidade de bytes a enviar. Considerando que são 3 bytes para cada LED (um para cada cor), a memória para armazenar o estado de toda uma fita com 100 ou mais LEDs pode ser significativa.

Neste post vamos ver como alguns recursos do Raspberry Pi Pico facilitam o controle de uma fita de LED RGB.

Material Utilizado:

Para reproduzir o exemplo que vamos montar você vai precisar de:

Tratando o Protocolo de Comunicação do LED WS2812B

Como dito na introdução, o envio de cada bit exige temporizações relativamente curtas:

O início da sequência de bits é marcado por um nível baixo de pelo menos 50 microsegundos.
O envio de um bit “0” é composto de 400 nanosegundos de nível alto seguido de 850 nanosegundos de nível baixo.
O envio de um bit “1” é composto de 850 nanosegundos de nível alto seguido de 400 nanosegundos de nível baixo.
Os tempos dos bits precisam ter uma precisão de 150 nanosegundos.

As bibliotecas mais populares para uso com a IDE Arduino recorrem a códigos em assembly (com interrupções inibidas) para conseguir gerar estes tempos em microcontroladores ATmega como os usados no Arduino Uno. Para microcontroladores mais rápidos, elas utilizam interrupções de relógio, o que causa a pausa frequente da execução do programa principal.

Tipicamente é armazenada uma única cópia do estado de todos os LEDs. Para produzir um efeito ou animação, esta cópia é alterada e depois enviada à fita. Ao final do envio o processo se repete.

Como a Raspberry Pi Pico pode melhorar a atualização?

Em primeiro lugar, ele dispõe do recurso de I/O Programado (o PIO). O PIO pode ser programado para gerar automaticamente o sinal com os tempos corretos a partir da escrita dos três bytes, sem interferência no processamento. O programa para isso é um dos exemplos fornecido pela Raspberry Pi Foundation e pode ser visto no github oficial: https://github.com/raspberrypi/pico-examples/blob/master/pio/ws2812/ws2812.pio (se o código parecer confuso, a documentação do SDK explica linha a linha a programação da PIO).

A carga dos bytes no PIO pode ser também feita sem interferência direta do processador, através do recurso de Acesso Direto à Memória (DMA). O DMA é programado com o endereço inicial e o tamanho dos dados a transferir e faz a transferência dos dados em paralelo à execução normal. O final da transferência pode ser sinalizado por uma interrupção.

Como o Raspberry Pi Pico possui generosos 264k de Ram, podemos guardar duas cópias da imagem dos LEDs. Enquanto atualizamos uma cópia, a outra é enviada à fita (via DMA+PIO). Com isso a geração do próximo estado e o envio à fita são feitos em paralelo, possibilitando uma atualização mais frequente.

Fita de led com Raspberry Pi Pico | Um Exemplo Prático

Neste exemplo vamos usar uma fita com 150 LEDs RGB, com alimentação de 5V. A ligação da fita à alimentação e ao Raspberry Pi Pico é a seguinte:

Vamos usar uma alimentação separada de 5V para a fita ao invés de usar os 5V da USB devido ao consumo dos LEDs. A Raspberry Pi Pico deve ser alimentado normalmente pela USB.

O nosso programa vai ser escrito em linguagem C. A programação da Raspberry Pi Pico em C é descrita no manual do SDK e a preparação do ambiente é descrita no artigo Programando a Raspberry Pi Pico da Rosana Guse (e na documentação oficial).

O programa (fitaLED.c) é o seguinte:

/**
 * Controle de LEDs RGB usando PIO e DMA, com duplo buffer
 * Baseado nos exemplos do SDK da Raspberry Pi Pico
 */

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
#include "hardware/dma.h"
#include "hardware/clocks.h"
#include "ws2812.pio.h"

// GPIO conectado à fita
const int PIN_TX = 0;

// Número de LEDs na fita
#define NLEDS 150

// PIO e state machine para controlar os LEDs
static PIO pio;
static int sm;

// Imagens dos LEDs
static uint32_t fitaEd[NLEDS];  // imagem para edição
static uint32_t fitaAt[NLEDS];  // imagem para atualização

// Monta um valor de 32 bits com as intensidades das cores
// ggggggggrrrrrrrrbbbbbbbb00000000
static inline uint32_t urgb_u32(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
    return
            ((uint32_t) (r) << 16) |
            ((uint32_t) (g) << 24) |
            ((uint32_t) (b) << 8);
}

// Atualiza os LEDs na fita
static void atualizaFita() {
    uint dma_chan = 0;

    // Copia para a área que será enviada
    memcpy (fitaAt, fitaEd, sizeof(fitaAt));

    // garante que a transferência anterior terminou
    dma_channel_wait_for_finish_blocking(dma_chan);

    // espera pio ter tratado tudo 
    while (!pio_sm_is_tx_fifo_empty(pio, sm)) {    
        sleep_us(10);
    }
    // para a state machine
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, false); 

    // Configura o DMA
    // - incrementar endereço origem (memória)
    // - não incrementar endereço destino (fila da PIO)
    // - PIO indica quando fazer a transferência
    dma_channel_config c = dma_channel_get_default_config(dma_chan);
    channel_config_set_read_increment(&c, true);
    channel_config_set_write_increment(&c, false);
    channel_config_set_dreq(&c, pio_get_dreq(pio, sm, true));
    dma_channel_configure(dma_chan, &c,
        &pio->txf[sm],              // destino
        fitaAt,                     // origem
        NLEDS,                      // tamanho
        true                        // começar imediatamente
    );

    // Dispara a transferência
    sleep_us(300);   // Para indicar inicio
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true); // liga a state machine
}

// Limpa a imagem dos leds
static void apagaLEDS() {
    memset (fitaEd, 0, sizeof(fitaEd));
    atualizaFita();
}

// Inicia os LEDs
void iniciaLEDs() {
    // Cria um techo em cor verde/azulada
    int i = 0;
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 5, 2);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 10, 4);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 20, 8);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 40, 16);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 20, 8);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 10, 4);
    fitaEd[i++] = urgb_u32(0, 5, 2);

    // O resto fica em cor vermelha clara
    while (i < NLEDS) {
        fitaEd[i++] = urgb_u32(3, 0, 1);
    }

// Roda os LEDs
void rodaLEDs() {
    uint32_t aux = fitaEd[0];
    for (int i = 1; i < NLEDS; i++) {
        fitaEd[i-1] = fitaEd[i];
    }
    fitaEd[NLEDS-1] = aux;
}

// Programa principal
int main() {
    // Aloca e inicia uma PIO
    pio = pio0;
    sm = 0;
    uint offset = pio_add_program(pio, &ws2812_program);
    ws2812_program_init(pio, sm, offset, PIN_TX, 800000, false);
    apagaLEDS();

    // Apresenta a animação
    iniciaLEDs();
    while (1) {
        rodaLEDs();
        atualizaFita();
        sleep_ms(10);    // uma pequena pausa para ficar mais visível
    }
}

As informações para compilar este programa serão colocadas em um arquivo CMakeLists.txt:

cmake_minimum_required(VERSION 3.13)

include(pico_sdk_import.cmake)

project(fitaLED_project)

pico_sdk_init()

add_executable(fitaLED
    fitaLED.c
)

pico_generate_pio_header(fitaLED ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/ws2812.pio)

target_link_libraries(fitaLED PRIVATE
    pico_stdlib
    hardware_pio
    hardware_dma
)

pico_add_extra_outputs(fitaLED)

As instruções abaixo para gerar o executável usando a linha de comando são para Linux (veja mais detalhes nas referências acima) e supõem que você instalou o SDK dentro do seu ‘home’, num diretório chamado pico. Crie debaixo deste diretório pico o diretório fitaLED e coloque dentro dele os arquivos fitaLED.c e CMakeLists.txt listados acima e execute os seguintes comandos:

cd ~/pico/fitaLED
cp ~/pico/pico-sdk/external/pico_sdk_import.cmake .
cp ~/pico//pico-examples/pio/ws2812/ws2812.pio .
mkdir build
cd build
export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
cmake ..
make

Ao final terá sido criado no diretório build, entre outros, o arquivo fitaLED.uf2. Aperte o botão BOOT da Pi Pico, conecte ao micro e solte o botão. O micro vai reconhecer a placa como um pendrive. Copie o arquivo fitaLED.uf2 para este drive, a placa irá reiniciar e executar o programa.

O vídeo abaixo mostra o resultado.

Conclusão

Os recursos de PIO e DMA do Raspberry Pi Pico permitem realizar a atualização dos LEDs RGB sem um consumo elevado de processamento da CPU. Com isto a CPU pode ser usada para o que realmente importa: gerar a próxima imagem. O resultado são animações mais sofisticadas com altas taxas de atualização.

Estas técnicas podem também ser usadas com outros arranjos de LEDs WS2812B, como anéis e painéis.

Então, você vai usar isso no seu próximo projeto? Se sim, mostre ele para gente na Comunidade Maker no Facebook.

Dúvidas ou comentários? É só colocar aqui embaixo!