Raspberry Pi 4Bでneopixel（WS2812B）をSPIで制御してみた

結論

• adafruit-circuitpython-neopixel-spiを使用する
  • 本家のadafruit-circuitpython-neopixelはSPIに正式対応していない。
• NeoPixel_SPIのインスタンス化の際に、引数に"bit0=0b10000000"を入れる。
  • bit0はNeoPixel dataをSPI dataに変換するための値

import board
import neopixel_spi
pixels = neopixel_spi.NeoPixel_SPI(
    board.SPI(),
    n = 10, # LEDテープの連結数を指定。今回は10個
    brightness=0.01,# 明るさの指定
    auto_write = True,# Trueにすることで、pixelsのlistを書き換えたら自動でLEDに伝達される。
    pixel_order=neopixel_spi.GRB,# RGBモード
    bit0=0b10000000 # デフォルト値は、0b11000000
)
pixels.fill((255, 0, 0))# LEDが真っ赤に光る。

目的と状況

• NeoPixel RGB TAPE LEDをRaspberry Piを使用して制御したい。
• GPIOの配線の都合上、SPI（GPIO 10 (SPI0 MOSI)）を利用したい。
• 初めてラズパイでテープLEDを使用するので、ちんぷんかんぷんです🤷‍♂️
  • 勉強したことも含めて、記事を書いていきます。

実行環境

• 使用ラズパイ
  • Raspberry Pi 4 Model B
• OS
  • Raspberry Pi OS
• LEDテープ
  • NeoPixel RGB TAPE LED
    • LEDのマイコンには、WS2812Bが使用されています。

はまったこと

• exampleを起動した直後は正しく制御できますが、数秒経つと制御していたLEDが、明るさMAXで白色点灯します。
• この状態になると、一度スクリプトを停止して、再度実行しなければLEDの色を変更できません。

調べたこと

• 最初にSPI通信とはなんぞやについて調べました。
  • 以下のサイトが分かりやすかったです。
    • AnalogDialog SPIの基本を学ぶ
      • ただし、今回はきちんとしたSPI通信はしていない（MOSIピンしか使用していない）ので、この事象に対しての直接的な解決策にはなりませんでした。
• そもそもどうやってLEDを制御しているのか？
  • こちらの公式サイトで勉強しました。
    • NeoPixels on Raspberry Pi Over view
      • PWMを用いてLEDの輝度、色などを制御しています。
      • LEDテープに使用されているマイコンによって、ON/OFFの周期が違います。
        • ↑最終的にこれは事象とは関係ありませんでした。
  • 連結通信についてはこちらがわかりやすかったです。
    • ArduinoとシリアルLED（WS2812B）シリアルLEDの仕組み
  • SPIを使用してLEDを制御する場合のテクニックも公式サイトに掲載されていました。
    • CircuitPython NeoPixel Library Using SPI
      • NeoPixel dataをSPI dataに変換する際に、byte変換しています。
  • 上記から、当該現象は、送信しているデータがずれていることが原因のような気がしてきました。

解決策

• ついに同じ事象が発生している人を発見しました。
  • github #25 Neopixel with SPI on Raspberry Pi OS (5.4.79)
    • bit0を指定し直せば治りました。
      • bit0はNeoPixel dataをSPI dataに変換するための値です。
        • ここの変換がうまくいっていなかったので、間違ったデータを送ってしまい、制御不能になったと思われます。
        • 環境によっては、bit1も指定する必要があるかもしれません。

まとめ

• Raspberry Pi 4Bを利用して、neopixel（WS2812B）をSPIピンで制御できました。
• 正直、SPIでやる人はあまりいないと思いますが、お役に立てれば幸いです。

参考

大変感謝しております。

• AnalogDialog SPIの基本を学ぶ
• NeoPixels on Raspberry Pi Over view
• ArduinoとシリアルLED（WS2812B）シリアルLEDの仕組み
• CircuitPython NeoPixel Library Using SPI
• github #25 Neopixel with SPI on Raspberry Pi OS (5.4.79)