Raspberry Pi PicoでリングLEDを自在に制御!配線からプログラムまで徹底解説

目次

はじめに

リング状に複数LEDが連なっているものです。非常に明るく、光らせ方も自由自在です。

リングLEDの仕組み

アドレサブルLED

個々のLEDがひとつのピンで制御できる特別なLEDです。このLEDには、RGB(赤、緑、青)の各色の明るさを設定するためのドライバ回路が内蔵されており、個別に色や輝度をコントロールできます

・RGB LED: 各LEDは、赤 (Red)、緑 (Green)、青 (Blue) の3つの色素子で構成されており、これらの色の強度を組み合わせることで、約16,777,216色(24ビットカラー)を作り出すことが可能です。
・内蔵ドライバ: LEDごとに専用のドライバが内蔵されており、制御信号に従って各LEDを独立して制御できます。

デイジーチェーン接続

デイジーチェーン方式で接続されています。1つの信号線で複数のLEDをシリアル(ひとつづ処理すること)に制御しています

  • DI (Data In):前のLEDからデータを受け取る端子。
  • DO (Data Out): 次のLEDにデータを送る端子。

各LEDは、データ入力 (DI) からデータを受信し、対応する命令(どの色で点灯するか、輝度など)を自分で処理します。次に、そのデータの残り部分をデータ出力 (DO) を通じて次のLEDに送信します。このシリアルデータ伝送方式により、1本の信号線でリング状のLEDをすべて制御できます。

制御信号

1本のデータ線を使って個々のLEDに信号をることができます。

  • LED番号:どのLEDに対する命令か。
  • 色情報:各LEDにどの色(RGBの値)を表示するか。
  • 輝度情報:各LEDの明るさ。

ラズベリーパイからの信号は最初のLEDが受信し、その指示に従って動作します。その後、残りのデータを次のLEDに送ります。これが連鎖して続くため、データ線は1本で済みます

配線

配線は非常にシンプルです。

RaspberryPi PicoリングLED
VSYS(39番)VCC
GND(38番)GND
GP16(21番)DI
()内はピン番号

リングLEDを点灯させる

複雑な光らせ方をさせています。LEDの数などを指定する必要がありますのでご注意ください。

import array, time
from machine import Pin
import rp2

# Configure the number of WS2812 LEDs.
NUM_LEDS = 16 
PIN_NUM = 16
brightness = 0.2

@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1)               .side(0)    [T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [T1 - 1]
    jmp("bitloop")          .side(1)    [T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop()                   .side(0)    [T2 - 1]
    wrap()


# Create the StateMachine with the ws2812 program, outputting on pin
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(PIN_NUM))

# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)

# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])

##########################################################################
def pixels_show():
    dimmer_ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
    for i,c in enumerate(ar):
        r = int(((c >> 8) & 0xFF) * brightness)
        g = int(((c >> 16) & 0xFF) * brightness)
        b = int((c & 0xFF) * brightness)
        dimmer_ar[i] = (g<<16) + (r<<8) + b
    sm.put(dimmer_ar, 8)
    time.sleep_ms(10)

def pixels_set(i, color):
    ar[i] = (color[1]<<16) + (color[0]<<8) + color[2]

def pixels_fill(color):
    for i in range(len(ar)):
        pixels_set(i, color)

def color_chase(color, wait):
    for i in range(NUM_LEDS):
        pixels_set(i, color)
        time.sleep(wait)
        pixels_show()
    time.sleep(0.2)
 
def wheel(pos):
    # Input a value 0 to 255 to get a color value.
    # The colours are a transition r - g - b - back to r.
    if pos < 0 or pos > 255:
        return (0, 0, 0)
    if pos < 85:
        return (255 - pos * 3, pos * 3, 0)
    if pos < 170:
        pos -= 85
        return (0, 255 - pos * 3, pos * 3)
    pos -= 170
    return (pos * 3, 0, 255 - pos * 3)
 
 
def rainbow_cycle(wait):
    for j in range(255):
        for i in range(NUM_LEDS):
            rc_index = (i * 256 // NUM_LEDS) + j
            pixels_set(i, wheel(rc_index & 255))
        pixels_show()
        time.sleep(wait)

BLACK = (0, 0, 0)
RED = (255, 0, 0)
YELLOW = (255, 150, 0)
GREEN = (0, 255, 0)
CYAN = (0, 255, 255)
BLUE = (0, 0, 255)
PURPLE = (180, 0, 255)
WHITE = (255, 255, 255)
COLORS = (BLACK, RED, YELLOW, GREEN, CYAN, BLUE, PURPLE, WHITE)

while True:
    print("fills")
    for color in COLORS:       
        pixels_fill(color)
        pixels_show()
        time.sleep(0.2)

    print("chases")

    for color in COLORS:       
        color_chase(color, 0.01)

    print("rainbow")
    rainbow_cycle(0)

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