Die Piano LED-Leiste ist ein Projekt, bei dem ein LED-Streifen in einem ersten Schritt mit einem Arduino über die serielle Schnittstelle (PC, Tablet, Smartphone) und in einem zweiten Schritt komplett über einen Raspberry Pi angesteuert wird. Dabei entsprechen die LEDs auf dem LED-Streifen direkt den jeweiligen Tasten einer Klaviatur.

Gestartet hat alles mit einem PoC, bei dem ein Musikstück von einem PC hin zu einem Arduino über eine klassische serielle Schnittstelle übertragen wird, um dann auf dem Arduino über dessen GPIO Pins auf der LED-Leiste abgespielt zu werden. Der PoC hat sich zu einem Prototypen weiterentwickelt, bei dem nun ein Raperry Pi den PC nebst Arduino ablöst:

Der Prototyp auf dem Raspberry Pi mit seiner GUI bespielt die LED-Leiste

Die Verdrahtung zur Ansteuerung der LED-Leiste auf dem Raspberry Pi

Vom PC zum Arduino auf die LED-Leiste

Um das Tastenspiel zu unterstützen, wird eine LED-Leiste über die Tasten einer Klaviatur gelegt und die LEDs werden entsprechend vorgegebenen Noten so angesteuert, dass eine leuchtende LED die zu spielende Taste angibt. So ergeben sich visuelle Hinweise, welche Taste wann zu drücken ist.

Umgesetzt wurde der anfängliche PoC mit einen Arduino, der den LED-Streifen ansteuert, sowie einem PC, der wiederum den Arduino über die klassische serielle Schnittstelle ansteuert.

Die Piano LED-Leiste bei der Arbeit

Die Piano LED-Leiste im Selbsttest

Bei dem verwendeten LED-Streifen handelt es sich um eine Miniserie mit speziellem Layout der LEDs, das den Tasten einer Klaviatur entspricht:

Art: Flexibles Leiterband (keine feste Platine)
LED-Typ: WS2813 (RGB, 5V)
Band: Schwarz, PCB
Breite: 10mm
Länge je Segment: 0.5m
Schutzgrad: IP20
Kabelanschluss: Einseitig, 15cm, LED Verbinder

Das Ende eines LED-Segments	Zu verbindende LED-Segmente	Zusammengelötete LED-Segmente
Mit Schrumpfschlauch isolierte Lötstelle	Arduino Testaufbau mit Anschluss für die LED-Leiste	Test der LED-Leiste

Anordnung der LEDs auf der LED-Leiste

Dem Herstellungsprozess geschuldet können nur LED-Segmente der Länge 50cm gefertigt werden. Aus diesen Segmenten gilt es nun, eine LED-Leiste zusammen zusetzen, die alle Tasten über die Länge von ~ 121cm abdeckt. Die Anordnung der LEDs auf dem LED-Streifen soll also auf 50cm Segmente abgebildet werden und der Anordnung der schwarzen und weißen Tasten einer typischen Klaviatur entsprechen:

Das Layout der LED-Leiste (Schema)

Direkt über den Raspberry Pi auf die LED-Leiste

Beim nächsten Prototypen ersetzt ein Raspberry Pi den PC nebst Arduino. In einem speziellen Gehäuse für den Raspberry Pi befindet sich ein eingebauter Touch-Bildschirm, der sich zur Interaktion mit der LED-Leiste eignet. Der LED-Streifen kann in eine Aluleiste mit 45° Winkel eingeschoben (bzw. dort mit beidseitigem Klebeband verklebt) werden, die Aluleiste wird mit einer Kunststoffabdeckung (hier in der Farbe Milchglas) geschlossen.

Die Aluleiste neben dem LED-Streifen	Der LED-Streifen in der Aluleiste	Die verbaute LED-Leiste neben einer möglichen Transportröhre
Der Raspberry Pi in einem Gehäuse mit Touchscreen	Die Ausgabe des Rapsberry Pi während des Boot-Vorgangs	Die vollwertige grafische Benutzeroberfläche des Raspberry Pi

Eine Klaviatur aus 50cm Segmmenten

Dem Herstellungsprozess geschuldet können nur LED-Segmente der Länge 50cm gefertigt werden. Aus diesen Segmenten gilt es nun, eine LED-Leiste zusammenzusetzen, die alle Tasten über die Länge von ~ 121cm abdeckt.

Die Anordnung der LEDs auf dem LED-Streifen wird also auf 50cm Segmente abgebildet (wie in der Skizze weiter oben dargestellt) um der Anordnung der schwarzen und weißen Tasten einer typischen Klaviatur zu entsprechen. Um aus diesen LED-Segmenten einen LED-Streifen zu bekommen, der alle Tasten einer Klaviatur abdeckt, werden die LED-Segmente entsprechend hintereinander (voreinander) zusammengelötet (gestückelt). Gerade die ersten drei Tasten stellen eine Herausforderung dar, da der Anschlussstecker des ersten LED-Segments umgelötet werden muss:

LED-Streifen für die ersten drei Tasten der Klaviatur	Alle Kontakte für den Stecker werden direkt an den LEDs abgegriffen	Das Abgreifen der Kontakte direkt an den LEDs ist fehleranfällig
Zumindest 5V und GND werden diesmal am Segmentübergang abgegriffen.	Der zusammengelötete und in die Aluleiste montierte LED-Streifen	Die Aluleiste mit dem LED-Streifen und dem Anschlußstecker

Prottoyp für den Raspberry Pi

Die LED-Segmente wurden prototypisch zusammengestückelt. Bei einer zukünftigen Miniserie sollten wir bei den potentiellen Schnittstellen zwischen den LED-Segmenten (dort, wo wir ein LED-Segment auseinder schneiden müssen, um es anderweitig wieder zusammenzulöten), eigene Lötpunkte im Layout des LED-Streifens vorsehen.

Der Prototyp auf dem Raspberry Pi	Der Prototyp auf dem Raspberry Pi in Aktion
Der Prototyp als Screenshot	Der Prototyp in der IDE in Aktion

Als nächstes werden die Anschlüsse der LED-Leiste auf die GPIO-Pins des Raspberry Pi neu verdrahtet. Die Ansteuerung der LEDs, was bisher der Arduino übernommen hatte, wird durch eine Implementierung für den Raspberry Pi ergänzt (die eigentliche Programmlogik zum Abspielen der Noten ist davon nicht betroffen und verwendet ggf. die alternative Implementierung zur Ansteuerung der LEDs: