如何使用 Adafruit 的 FadeCandy 控制 LED

概覽

(圖片來源：Adafruit)

Adafruit 與 Scanlime 的 Micah 合作推出 Fadecandy，此內建顫動的驅動器板，可透過 USB 控制。Fadecandy 同時包含軟硬體，能更輕鬆建造和控制可定址 LED 專案 WS2811/WS2812，使其更美觀且耗用更少微控制器資源。FadeCandy 讓入門者更容易開始，也能為專業人員提供先進的功能。

Fadecandy Server Software 以單一或數十個 Fadecandy 板件通訊。在 Windows、Linux、Mac 作業系統或 Raspberry Pi 等嵌入式平台上運作。Open Pixel Control 通訊協定是一種簡單的方式，將畫素資料傳輸至 Fadecandy 伺服器。各控制器板支援多達 512 個 LED，配置為 8 個燈條，每個燈條含 64 個 LED，但不支援 RGBW LED。在本文出刊時，僅支援 RGB LED。本文稍後將會討論基礎編程。

此專案在 8 個燈條中，各使用 52 個 Adafruit NeoPixel，用於吸引玩家玩夾娃娃機，同時作為視覺化倒數計時器。使用大量的可定址 LED 和傳統 Arduino 資料庫，並直接連接至 GPIO 會減慢處理器並導致遊戲功能延遲，還有執行計時問題。Raspberry Pi 3 已有夾娃娃機的音效，Pi 3 作業清單將會加入 FadeCandy 的燈光通訊。

決定功率需求

功耗是使用 LED 燈條的重要考量。儘管單色 LED 僅使用 20 mA 的電流，以 Adafruit NeoPixel 為例，有三個顏色的 LED，若同時啟用，將耗用 60 mA 的電流。將此電流與燈條上並聯的 NeoPixel 數量相乘 (乘以 52)，則各燈條的最大電流超過 3 A。再乘以 8 列，會導致潛在電流耗用達到 25 A，這尚未包含專案之外的其他較小燈條。不過，一個專案為何會將所有 NeoPixel 的 LED 同時長期開啟？答案是並不會，因此選擇電源供應器器成為一項猜測作業。假設 75% 的 NeoPixel 在指定時間開啟，且都僅顯示一個顏色，則電流降至約 6 A。編程燈光情境並使用儀表測試電流消耗是唯一能確認的方法。

考慮使用分接 PCB，解決設計和佈線問題

編程前，可以使用 KiCad 設計客製化 PCB，以分接 FadeCandy 連接至方便的端子台，組織更容易的連接和輸出。夾娃娃機的背側 LED 在一個通道上，右側、左側、前側也是，以保留通道。上方和下方的獎品滑道 LED 則分別分接，留下兩個對稱通道以備不時之需。

分接 PCB 必須納入處理功率匯流排潛在電流消耗的走線。選擇 2 oz 銅作為板件，也可協助處理更大的電流。圖 1 和 2 展示使用 KiCad 和 DigiKey 的 PCB Builder 工具 打造 PCB 的範例。

圖 1：原廠裸板 PCB。

圖 2：高電流功率匯流排走線。

PCB Builder 工具準備項目

完成完整開發後，使用 File (檔案) 清單下的 Plot (標繪) 功能將客製化 PCB 匯出至 KiCad 的 PCB 設計工具。在 Plot (標繪) 對話框中，選擇 Generate Drill File (產生鑽孔檔案)，即可儲存 Gerber 鑽孔檔案至自訂資料夾。接著，點選 Plot (標繪) 按鈕。KiCad 會新增額外的 Gerber 檔案，並且會放入與鑽孔檔案相同的資料夾中。從 Windows 檔案總管，找到包含 Gerber 檔案的資料夾。選擇所有與 PCB 相關的檔案，接著右擊滑鼠並選擇傳送到 > 壓縮的 (zipped) 資料夾。在原始資料夾中將會產生新的壓縮資料夾。

DigiKey 的網頁架構 PCB Builder 工具可協助客製化 PCB，含多種選項和多家廠商。啟用 PCB Builder 工具後，選擇Upload Gerber File (上傳 Gerber 檔案) 按鈕，接著選擇剛才建立的壓縮檔。PCB Tool Viewer 視窗會開啟，顯示板件影像，以及生產板件所包含的檔案／圖層清單，如圖 3 所示。

圖 3：PCB Builder Viewer，使用 DigiKey 的 PCB Builder 工具的第一步驟。

PCB Builder Viewer 能為提出的 PCB 提供許多工具進行檢驗。在 PCB 影像上滑動查看並放大縮小，手形指標也能讓 PCB 以各方向移動。在板層清單上開啟或關閉眼睛圖示，可以選擇各層進行檢視。

選擇 Finish Upload (完成上傳) 按鈕，前往下一個訂購步驟。下一個視窗顯示 PCB 的數據，以及選項清單，例如顏色和銅厚度 (見圖 4)。請注意，不同選項會有不同價格，各廠商提供的選項也不盡相同。板件的數量從 1 開始，再依需求選擇其他項目。

圖 4：選擇 PCB 規格、廠商、數量。

完成所有選項且決定廠商後，再將板件的數量從 1 開始增加，並查看價格。重複此步驟直到價格增加。此方式可以決定如何以最低價格生產最大量的板件。準備訂購時，請選擇 Add to Cart (加到購物車)。

組裝客製化分接 PCB

成品 PCB 上會佈上 LED 燈條端子台、功率端子台、16 引腳排針座。Adafruit 的 FadeCandy 板搭載排針引腳，並且在 PCB 上嵌入排針座和 3D 列印隔離柱，支撐板件的 USB 端。請見圖 5。

圖 5：全滿客製化分接板。

要實作板件和開始編程，以 8 列各 26 個 Adafruit Neopixel 組成的測試台用於展示此概念，稍後會在實際的夾娃娃機中升級至 52 Neopixel。

連接 LED 燈條至綠色端子台，觀察適當的功率和訊號連接。5 V 電源連接至黑色端子台，觀察適當的功率和接地連接。圖 6 顯示 NeoPixel 在使用分接板前的接線，圖 7 顯示佈線的改良。

圖 6：使用分接板前的測試台佈線。

圖 7：使用分接組織的測試台。

硬體和佈線就緒後，使用適當的 USB 連接 Raspberry Pi 3 至 FadeCandy，然後連接 Raspberry Pi 至監視器、鍵盤、滑鼠。啟動系統，開始編程。FadeCandy 設置為客戶端，可透過 USB 從作為伺服端的 Pi 接收資料。在此設置中，Pi 也與 Arduino 的 Mega 透過 USB 以序列連接進行通訊。Mega 處理所有遊戲機的輸入和輸出，並且簡單告知 Pi 遊戲是否在進行。Pi 處理音效和光效。

FadeCandy 有多種功能和應用。許多簡單和複雜的範例可以在線上找到，並且一直在增加。以下程式碼代表一些非常基本的多執行緒功能，針對此專案的特定燈光需求。Pi 編程為讓 Neopixel 充滿基本色，接著增加各色的隨機閃光以進行強調。遊戲進行時，其中兩個燈條會轉換為視覺化倒數計時器。請見影片 1。此專案的程式碼如下 (清單 1)。

複製#Raspberry Pi Game Machine Script
import serial
import threading
import queue
import random
import opc, time
import pygame

#Initialize the sound mixer
pygame.mixer.init(44100, 16, 2)

#Create a game start sound effect object
Start_Sound = pygame.mixer.Sound("glass.wav")
Start_Sound.set_volume(1.0)
Start_Sound.play()

#Create a tick-tock sound object
Tick_Sound = pygame.mixer.Sound("ticktock.wav")
Tick_Sound.set_volume(1.0)
#Tick_Sound.play(maxtime=600)

#Create an end of game sound object
End_Sound = pygame.mixer.Sound("Buzzer-sound-16.wav")
End_Sound.set_volume(1.0)
#End_Sound.play()

#Build queue objects for transfer between threads
game_q = queue.Queue(1)
users_q = queue.Queue(1)
matrix_q = queue.Queue(1)

#State the NeoPixel array for the testbed
numLEDs = 8*26
pixels = [ (0,0,0) ] * numLEDs

#Set FadeCandy meter start pixel
meterStartPix = 130

#Create a serial communication object for the Mega
serMega = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 115200)

#Create a client object for the Open Pixel server
client = opc.Client('localhost:7890')

#Define a function for the t1 thread that reads data from the Mega
def MegaData():
        while True:
                if serMega.inWaiting() > 0:
                        GameDuration = int(serMega.readline())
                        PlayFlag = int(serMega.readline())
                        game_q.put((GameDuration, PlayFlag))
                        TotalUsers = int(serMega.readline())
                        if not users_q.full():
                                users_q.put(TotalUsers)
                                
                time.sleep(0.001)
                        
#Define a function for the t2 thread which runs the time meter Neopixels                            
def RunMeter():

        while True:
                GameDuration, PlayFlag = game_q.get()
                matrix_q.put(PlayFlag)
                SleepNum = (float(GameDuration)/100/27)
              
                if PlayFlag == 1:
                        #Quickly fill the meter with green
                        meterPix = meterStartPix
                        Start_Sound.play()
                        for i in range(0, 26):
                                pixels[meterPix] = (0, 200, 0)
                                client.put_pixels(pixels)
                                time.sleep(.02)
                                meterPix = meterPix+1
                                
                        #Fill the meter with red based on game timer
                        meterPix = meterStartPix + 25       
                        for i in range(0, 26):
                                if not game_q.empty():
                                        GameDuration, PlayFlag = game_q.get()
                                if PlayFlag == 1:
                                        pixels[meterPix] = (200, 0, 0)
                                        Tick_Sound.play(maxtime=600)
                                        client.put_pixels(pixels)
                                        time.sleep(SleepNum)
                                        meterPix = meterPix-1
                                else:
                                        break
                                
                        #Wait a tad bit
                        time.sleep(.50)
                        End_Sound.play()
                        time.sleep(.50)
                        
                        #Quickly Clear the meter with soft white
                        meterPix  = meterStartPix
                        for i in range(0, 26):

                                pixels[meterPix] = (30, 30, 30)
                                client.put_pixels(pixels)
                                time.sleep(.01)
                                meterPix = meterPix+1
                                                                
                        time.sleep(2)
                else:
                        
                        #Quickly Clear the meter with soft white
                        meterPix = meterStartPix
                        
                        for i in range(0, 26):

                                pixels[meterPix] = (30, 30, 30)
                                client.put_pixels(pixels)
                                time.sleep(.01)
                                meterPix = meterPix+1
                                
                        time.sleep(2) 
                time.sleep(0.001)
                
#Define a function for the t3 thread that controls the non-meter Neopixels               
def RunMatrix():
       
        numLEDs = 6*26
      
        while True:
                if not matrix_q.empty():
                        play_flag = matrix_q.get()
                        if play_flag == 1:
                                numLEDs = 5*26
                        else:
                                numLEDs = 6*26   

                r = random.randint(25,85)
                g = random.randint(25,85)
                b = random.randint(25,85)
                Bright = 3 
                DotNum = 10 
                              
                for j in range(5):
                        for h in range(10):
                                pixels = [ (r, g, b) ] * numLEDs

                                for g in range(DotNum):
                                        p = random.randint(0,numLEDs-1)
                                        pixels[p] = (r*Bright, g*Bright, b*Bright)
                                
                                client.put_pixels(pixels)
                                
                                if not matrix_q.empty():
                                        play_flag = matrix_q.get()
                                        if play_flag == 1:
                                                numLEDs = 5*26
                                        else:
                                                numLEDs = 6*26 
                                time.sleep(.1)

#Create thread objects                                
t1 = threading.Thread(target = MegaData)
t2 = threading.Thread(target = RunMeter)
t3 = threading.Thread(target = RunMatrix)
t1.start()
t2.start()
t3.start()

清單 1用於控制夾娃娃機專案 LED 的程式碼。

總結

使用可定址 LED 效果讓人滿意，但是卻具備挑戰性。通常達到完美視覺效果所需的編碼會干擾微控制器的其他作業。FadeCandy 和其他類型的精細 LED 驅動器用於緩解此類問題，並且為無限照明情境開啟另一扇門。只要搭配正確的驅動器，客製化 PCB 能良好組織輸入和輸出及配電。