WS2812BとシリアルI/FでLチカ
フルカラーLEDの集合体（単一やテープ状あるいは正方形に配列したものと多種存在）を駆動する仕組みはシリアルな信号を送ることで行います。シリアルな信号といえば古典的なRS-232Cという規格で定義されたものが有名ですが、古典的過ぎてつまりレガシー過ぎて、最近のPCには装備されていません。そういう場合のためにUSBにつないでRS-232CなI/F（正確にはなんちゃってRS-232Cでまず信号レベルが合致しません）を模倣するチップがあります。それを小型基板に実装したものの例が、
これです。これを使って、うまくタイミングを取るとWS2812BなLED群を駆動できるようですので、その具体的なやり方を記事にします。まずは基礎編ですね。
基板自体は、このサイズで、左側がUSB-Bメスで、右がシリアルI/F側（但しなんちゃってなので、TTLレベルつまり0－5Vレベル）使用時の基板が、
PC側に認識されると、上図のように“PWR”LEDが点灯します。ここでシリアルのポート番号を設定する必要があります。まずWindowsのデバイスマネージャーから、
上記をダブルクリック、
ポートの設定をクリック、
ここで詳細設定、
左側一番上を“COM200”へ、で”OK”をクリック、COMポート番号を記録するか所望のものに設定しておく必要があります。筆者は習慣的に200にしています。デバイスマネージャーに戻って、
になっていればおけ。全部閉じます。
今回は上図の8素子直列のWS2812B素子を使います。amazonだと、
ユニバーサル基板に挿すために、L字ブラケットをはんだ付けしますけど、付けた状態では極めて脆いので細心の注意が必要です。2個セットを買いましたが、すでに１個壊れてこれだけ残っています。さて、一番下の素子レベルのドライバーですが、RS-232CなI/Fで駆動するので、C++から扱えるドライバーが必要です。自分で書いたものではありません。出典不明で恐縮ですが、まずヘッダーから、“SerialPort.h”は、
#ifndef SerialPort_H
#define SerialPort_H
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <map>
#include <string>
#include <string.h>
#include <windows.h>
#include <conio.h>
#define RX_SIZE 4096 // in buffer size
#define TX_SIZE 4096 // out buffer size
#define MAX_WAIT_READ 5000 // max waiting time (in ms)
class SerialPort
{
public :
SerialPort();
virtual ~SerialPort();
bool Open(std::string s);
bool Read(char* buffer, unsigned int nBytesToRead, unsigned int *pBytesRead);
bool Write(unsigned char *buffer, unsigned int nBytesToWrite, unsigned int *pBytesWritten);
bool Close();
private :
HANDLE g_hCOM;
COMMTIMEOUTS g_cto;
DCB g_dcb;
void Init();
};
#endif
“SerialPort.cpp”は、
#include "SerialPort.h"
using namespace std;
SerialPort::SerialPort()
{
this->Init();
}
SerialPort::~SerialPort()
{
this->Close();
}
void SerialPort::Init()
{
g_hCOM = NULL;
COMMTIMEOUTS t_g_cto =
{
//MAX_WAIT_READ, /* ReadIntervalTimeOut */
0, /* ReadTotalTimeOutMultiplier */
//MAX_WAIT_READ, /* ReadTotalTimeOutConstant */
0, /* WriteTotalTimeOutMultiplier */
0 /* WriteTotalTimeOutConstant */
};
memcpy(&g_cto, &t_g_cto, sizeof(t_g_cto));
// port configuration
DCB t_g_dcb =
{
sizeof(DCB), /* DCBlength */
3000000, //19200, /* BaudRate */
TRUE, /* fBinary */
FALSE, /* fParity */
FALSE, /* fOutxCtsFlow */
FALSE, /* fOutxDsrFlow */
DTR_CONTROL_ENABLE, /* fDtrControl */
FALSE, /* fDsrSensitivity */
FALSE, /* fTXContinueOnXoff */
FALSE, /* fOutX */
FALSE, /* fInX */
FALSE, /* fErrorChar */
FALSE, /* fNull */
RTS_CONTROL_ENABLE, /* fRtsControl */
FALSE, /* fAbortOnError */
0, /* fDummy2 */
0, /* wReserved */
0x100, /* XonLim */
0x100, /* XoffLim */
8, /* ByteSize */
NOPARITY, /* Parity */
ONESTOPBIT, /* StopBits */
0x11, /* XonChar */
0x13, /* XoffChar */
'?', /* ErrorChar */
0x1A, /* EofChar */
0x10 /* EvtChar */
};
memcpy(&g_dcb, &t_g_dcb, sizeof(t_g_dcb));
}
bool SerialPort::Open(std::string nId)
{
nId = "\\\\.\\COM" + nId;
std::wstring FilePath(nId.begin(), nId.end());
g_hCOM = CreateFile(FilePath.c_str(), GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_SYSTEM, NULL);
if (g_hCOM == INVALID_HANDLE_VALUE)
return false;
SetupComm(g_hCOM, RX_SIZE, TX_SIZE);
if (!SetCommTimeouts(g_hCOM, &g_cto) || !SetCommState(g_hCOM, &g_dcb))
{
CloseHandle(g_hCOM);
return false;
}
PurgeComm(g_hCOM, PURGE_TXCLEAR|PURGE_RXCLEAR|PURGE_TXABORT|PURGE_RXABORT);
EscapeCommFunction(g_hCOM, SETDTR);
return true;
}
bool SerialPort::Close()
{
return CloseHandle(g_hCOM);
}
bool SerialPort::Read(char *buffer, unsigned int nBytesToRead, unsigned int *readBytes)
{
int tmp(0);
*readBytes = 0;
while (*readBytes < nBytesToRead)
{
if (!ReadFile(g_hCOM, buffer + *readBytes, nBytesToRead - *readBytes, (DWORD*)&tmp, NULL))
return false;
*readBytes += tmp;
}
return true;
}
bool SerialPort::Write(unsigned char *buffer, unsigned int nBytesToWrite, unsigned int *pBytesWritten)
{
int tmp(0);
*pBytesWritten = 0;
while (*pBytesWritten < nBytesToWrite)
{
if (!WriteFile(g_hCOM, buffer + *pBytesWritten, nBytesToWrite - *pBytesWritten, (DWORD*)&tmp, NULL))
return false;
*pBytesWritten += tmp;
}
return true;
}一応クラスですね。さて、ws2812bを扱うのにもクラスを使いましょうかね。ここ以降は一応筆者のオリジナルです。
まず、“ws2812b.h”は、
#ifndef __ws2812b
#define __ws2812b
#include <stdint.h>
#include "SerialPort.h"
struct CCRGB {
union {
struct {
union {
uint8_t r;
uint8_t red;
};
union {
uint8_t g;
uint8_t green;
};
union {
uint8_t b;
uint8_t blue;
};
};
uint8_t raw[3];
};
inline CCRGB& setRGB(uint8_t nr, uint8_t ng, uint8_t nb)//__attribute__((always_inline))
{
r = nr;
g = ng;
b = nb;
return *this;
}
};
class ws2812b {
public:
ws2812b( int numofleds, CCRGB* leds );
void showleds();
void clear();
private:
const unsigned char table[4] = { 0xef, 0xcf, 0xee, 0xce };
int lednum;
CCRGB* array;
SerialPort port;
unsigned bufsize;
unsigned char* obuf;
};
#endif“ws2812b.cpp”は、
#include <stdio.h>
#include "SerialPort.h"
#include "ws2812b.h"
ws2812b::ws2812b( int numleds, CCRGB* leds)
{
//SerialPort wrap;
//black.setRGB(0, 0, 0) :
if( !port.Open("200"))
{
fprintf(stderr, "can't open port\n");
return;
}
lednum = numleds;
array = leds;
bufsize = 8 / 2 * 3 * numleds;
obuf = (unsigned char*)malloc(bufsize); // total bytes required
if( !obuf ){
fprintf(stderr, "can't alloc output buffer\n");
return;
}
}
void ws2812b::showleds()
{
unsigned int tr;
int index = 0;
for( int i = 0 ; i < lednum ; i++ ){
obuf[index++] = table[array[i].g >> 6 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].g >> 4 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].g >> 2 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].g >> 0 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].r >> 6 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].r >> 4 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].r >> 2 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].r >> 0 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].b >> 6 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].b >> 4 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].b >> 2 & 0x03];
obuf[index++] = table[array[i].b >> 0 & 0x03];
}
port.Write(obuf, bufsize, &tr);
}
void ws2812b::clear()
{
for (int i = 0; i < lednum; i++)
array[i].setRGB(0, 0, 0);
showleds();
}です。いつもとは逆で、Unit1.cppやらフォームを示す前に、動作している状況を動画で示しましょうか。
“Run”で、
RGBの値やPeriodを変えると、
Unit1.cppは、
//---------------------------------------------------------------------------
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "ws2812b.h"
#include "Unit1.h"
//---------------------------------------------------------------------------
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
#define NUMLEDS 8
ws2812b* aled;
CCRGB leds[NUMLEDS];
CCRGB tables[NUMLEDS];
TForm1 *Form1;
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
aled = new ws2812b(NUMLEDS, leds);
aled->clear();
//leds[(int)(lastl*NUMLEDS/2)].setRGB(3*r,0,0);
aled->showleds();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
for (int i = 1; i < NUMLEDS+1 ; i++) {
leds[i - 1].setRGB(StrToInt(LabeledEdit1->Text), StrToInt(LabeledEdit2->Text), StrToInt(LabeledEdit3->Text));
aled->showleds();
Sleep(StrToInt(LabeledEdit4->Text));
leds[i-1].setRGB(0,0,0);
}
//getchar();
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
これだけです。一応所望の動作はしていますね。
プロジェクトの構成は上図のようになっています。少し趣向を変えて、別のプログラムですが、
BinaryStepsをクリックすると、
Unit1.cppは、
//---------------------------------------------------------------------------
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "ws2812b.h"
#include "Unit1.h"
//---------------------------------------------------------------------------
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
#define NUMLEDS 8
TForm1 *Form1;
CCRGB leds[NUMLEDS];
ws2812b* aled;//= new ws2812b(NUMLEDS, leds);
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
aled = new ws2812b(NUMLEDS, leds);
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
// B
//aled->clear();
for (int i = 1; i < NUMLEDS+1 ; i++) {
leds[i - 1].setRGB(0, 0, 30);
aled->showleds();
Sleep(700);
leds[i-1].setRGB(0,0,0);
}
//getchar();
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button2Click(TObject *Sender)
{
// R
int k;
//aled->clear();
for (k = 0; k < NUMLEDS ; k++) {
leds[k].setRGB(30, 0, 0);
aled->showleds();
Sleep(700);
leds[k].setRGB(0,0,0);
}
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button3Click(TObject *Sender)
{
// G
//aled->clear();
for (int i = 0; i < NUMLEDS ; i++) {
leds[i].setRGB(0, 30, 0);
aled->showleds();
Sleep(700);
leds[i].setRGB(0,0,0);
}
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button4Click(TObject *Sender)
{
//aled->clear();
for( int i = 0 ; i < NUMLEDS ; i++ ){
leds[i].setRGB(30,0,0);
aled->showleds();
Sleep(700);
leds[i].setRGB(0,0,0);
//aled->clear();
}
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::BinaryStepsClick(TObject *Sender)
{
//aled->clear();
int seed = 1;
for (int i = 0; i < NUMLEDS ; i++) {
leds[i].setRGB(seed, seed, seed);
aled->showleds();
Sleep(700);
seed *= 2;
// 1,2,4,8,16,32,64,128
//leds[i].setRGB(0,0,0);
}
Sleep(500);
aled->clear();
}
//---------------------------------------------------------------------------
上図の最後がBinaryStepsのコードで、文字通りseed=1から初めて、倍々に明るさを増やしていって表示しているので、左から1,2,4,8,16,32,64,128の明るさのサンプルです。128でも相当な眩しさですよね。255(max)を試す前に、電流負荷を測ってみるのが吉ですが、目を痛めそうなので、止めておきます。基礎編は以上です。次はもう少し実用的（派手ともいふ）なプログラムを紹介しましょう。
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