STM32使用SPI+DMA驱动WS2812_电路方案

# STM32应用开发——使用SPI+DMA驱动WS2812

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## 前言

串行灯带的应用十分广泛，其中以WS2812最为经典，这种灯带一般都是通过单总线的方式来驱动，也就是由一根数据线按照特定的时序输出，继而驱动灯带。这种方式在硬件和软件上都非常简单，但是如果软件用GPIO模拟时序的话比较占用主线程的资源，因此，如果能用硬件外设（比如PWM、SPI、串口）来模拟出这个时序，就能节省MCU的资源。

本文以SPI+DMA为例介绍如何驱动WS2812。

## 1 硬件介绍

### 1.1 WS2812介绍

#### 1.1.1 芯片简介

WS2812是一款智能控制LED光源，其外观采用最新的MOLDING封装技术、控制电路和RGB芯片集成在2020组件的封装中。其内部包括智能数字端口数据锁存和信号整形放大驱动电路。还包括精密内部振荡器和电压可编程恒流控制部分，有效保证像素点光源的颜色。

#### 1.1.2 引脚描述

| 引脚 | 名称 | 描述 |

|:-------|:------|:------|

| DO | 数据输出 | 控制数据输出到下一个芯片 |

| GND | 地 | 电源负极 |

| DI | 数据输入 | 控制数据输入 |

| VDD | 电源 | 电源正极 |

#### 1.1.3 工作原理

通过级联法把每个灯的DI和DO引脚首尾相连，数据可以从第一个IC开始，不断的传输到后面每一个IC，从而实现整条灯带的控制。

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/e0a07a2cf9474cbe12e4006c0042121b.png =300x)

#### 1.1.4 时序

WS2812通过不同的时序来表示`0码`、`1码`和`复位码`，如下图所示：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/b9926fdef2ada1f7bdd77651a8d67bbe.png)

其中各信号的电平如下图所示：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/e14c3f5627d73f9241e237f4415d6a1d.png)

注：不同型号的芯片在时序上会有点差异，具体以芯片数据手册为准。

#### 1.1.5 传输协议

传输过程如下图所示：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/0f013697de7c8a98004a2e4709cdbb16.png)

每一个灯珠的RGB数据排列如下：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/be316baf49659a892155066dd7ff5598.png)

### 1.2 电路设计

WS2812的控制方法很简单，每个灯珠首尾相接进行级联即可，如下图所示：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/92452f5c6165dfb2e7cc99158e6cc7b4.png)

其中，第一个灯珠的DI引脚接入到MCU的一个GPIO上面。

我这里使用STM32F103来作为主控MCU，引脚接线如下：

| MCU引脚 | 灯带引脚 | 描述 |

|:-------|:------|:------|

| PB15 | DI | 由MCU发送控制信号输入到灯带 |

| PB14 | 无 | MCU输出的SPI CLK，即使是用SPI的MOSI模拟时序，对于MCU来说依然是SPI接口，因此CLK还是会输出时钟信号，但是该信号对于LED灯来说是无用的，因此LED端不需要接 |

注：使用SPI模拟LED时序时，SPI的CLK引脚不能作为普通IO使用，因为SPI和CLK和MOSI是硬件一起输出的，无法单独只输出MOSI，因此即使实际上只有MOSI一个引脚用于驱动LED灯，CLK引脚也不能作为其他功能引脚使用。软件设置SPI为单线SPI输出时，MISO可以单独作为普通GPIO使用。

## 2 软件编程

### 2.1 软件原理

通过DMA可以控制SPI连续输出自定义数据，然后通过调节SPI速率以及数据组合凑出`0码`、`1码`和`复位码`等波形，从而实现灯珠的驱动。

举个例子：按照上面的手册的时序要求，每一个逻辑电平周期在1.25us左右，那么SPI输出的频率就可以设置为2.25M（72M/32）。然后用SPI数据的3个bit表示灯的1个bit，就可以区分编码“0”和编码“1”，因为编码“0”和编码“1”的高低电平脉宽比例约为1:2和2:1，而SPI的3个bit可以设置成100和110，对应LED灯的编码。编码“0”的高电平脉宽和低电平脉宽分别为0.4us和0.85us，那么对应到SPI的1个bit脉宽是0.44us（1/2.25M），2个bit脉宽是0.88，3个bit为一个周期1.33us，在LED灯的容错范围内，因此可以通过DMA+SPI的方式模拟时序连续传输RGB数据就可以实现灯带的颜色和亮度控制。

时序示意图：

![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/e4c0377a704749f5973bbef2830bc890.png)

测试电平时序如下：

| 逻辑电平 | 脉宽 | SPI数据 |

|:------------|:------------|:------------|

| 逻辑0高电平 | 0.40±0.15us | 0.44us(1bit) |

| 逻辑0低电平 | 0.85±0.15us | 0.88us(2bit) |

| 逻辑1高电平 | 0.85±0.15us | 0.88us(2bit) |

| 逻辑1低电平 | 0.40±0.15us | 0.44us(1bit) |

| 复位低电平 | 1.25±0.60us | 1.33us(3bit) |

### 2.2 测试代码

根据上述原理，编写测试代码。

#### 2.2.1 底层驱动

ws2812_driver.h :

```c

#ifndef __WS2812_DRIVER_H

#define __WS2812_DRIVER_H

#include "stm32f10x.h"

#include "stm32f10x_conf.h"

#define SPI2_BOUNDARY_ADDR 0x40003800 // spi2 base address

#define SPI2_DR_ADDR SPI2_BOUNDARY_ADDR + 0x0C // spi2 data address offset 0x0C

#define LED_NUM 8

#define RGB_BIT 24

void led_display(uint8_t (*led_buf)[3], uint8_t led_num);

void ws2812_init(void);

#endif

```

ws2812_driver.c :

```c

#include "ws2812_driver.h"

#include "string.h"

uint8_t spi_buf[LED_NUM][9];

uint8_t dma_txbuf[LED_NUM*9];

void spi_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );//SPI2时钟使能

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_1Line_Tx; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为单向发送

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//设置SPI工作模式:设置为主SPI

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;//串行同步时钟的空闲状态为低电平

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;//NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为32，速率:2.25MHz

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRC值计算的多项式

SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure); //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器

SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外设

}

void spi_dma_init(void)

{

DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

RCC_AHBPeriphClockCmd( RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

DMA_DeInit(DMA1_Channel5);

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)SPI2_DR_ADDR; //设置发送外设(0x4000380C) 地址(源地址)

DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)dma_txbuf; //设置 SRAM 存储地址(源地址)

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; //传输方向内存-外设

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = sizeof(dma_txbuf); //设置 SPI2 接收长度

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址增量(不变)

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址增量(变化)

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //外设传输宽度(字节)

DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //内存传输宽度(字节)

DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //传输方式,一次传输完停止,不重新加载

DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; //中断方式-高(三级)

DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //内存到内存方式禁止

DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);

DMA_ITConfig(DMA1_Channel5, DMA_IT_TC, ENABLE); //开启 DMA1_Channel5 传输完成中断

// DMA_ITConfig(DMA1_Channel5, DMA_IT_TE, ENABLE); //开启 DMA1_Channel5 传输错误中断

/* Enable DMA TX request */

SPI_I2S_DMACmd(SPI2, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE); //发送缓冲区DMA使能

DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE); //暂时不开启DMA 通道 DMA1_Channel5

}

void dma_nvic_init(void)

{

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

/* Enable DMA1 channel5 IRQ Channel */

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel5_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

void DMA1_Channel5_IRQHandler(void)

{

/* Test on DMA1 Channel5 Transfer Complete interrupt */

if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC5))

{

DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE);

/* Clear DMA1 Channel5 Half Transfer, Transfer Complete and Global interrupt pending bits */

DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5);

DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_GL5);

}

uint32_t ws2812_rgb_encoding(uint32_t *value)

{ // 把GRB的每一个bit扩展为3bits，0b110代表WS2812B的逻辑'1'，0b100代表WS2812B的逻辑'0'

uint32_t encoding=0;

int index = 0;

while (index < 8)

{

encoding = encoding << 3;

if (*value & (1 << 23))

{

encoding |= 6; // 0b110

}

else

{

encoding |= 4; // 0b100

}

*value <<= 1;

index++;

}

return encoding;

}

void ws2812_data_pack(uint8_t led_idx, uint32_t value)

{

uint32_t encoding;

// Process the GREEN byte

encoding = ws2812_rgb_encoding(&value);

spi_buf[led_idx][0] = ((encoding >> 16) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][1] = ((encoding >> 8) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][2] = (encoding & 0xFF);

// Process the RED byte

encoding = ws2812_rgb_encoding(&value);

spi_buf[led_idx][3] = ((encoding >> 16) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][4] = ((encoding >> 8) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][5] = (encoding & 0xFF);

// Process the BLUE byte

encoding = ws2812_rgb_encoding(&value);

spi_buf[led_idx][6] = ((encoding >> 16) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][7] = ((encoding >> 8) & 0xFF);

spi_buf[led_idx][8] = (encoding & 0xFF);

}

void spi_dma_send(void)

{

memcpy(dma_txbuf, spi_buf, sizeof(spi_buf));

DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel5, sizeof(dma_txbuf));

DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);

}

void led_display(uint8_t (*led_buf)[3], uint8_t led_num)

{

uint8_t i;

uint32_t color_value;

// led_buf -> spi_buf

for(i = 0; i < led_num; i++)

{// N led

color_value = (led_buf[i][1] << 16) | (led_buf[i][0] << 8) | led_buf[i][2];

ws2812_data_pack(i, color_value);

}

// spi start

spi_dma_send();

}

void ws2812_init(void)

{

spi_init();

dma_nvic_init();

spi_dma_init();

}

```

#### 2.2.2 灯效应用

ws2812_app.h :

```c

#ifndef __WS2812_APP_H

#define __WS2812_APP_H

#include "stm32f10x.h"

#include "stm32f10x_conf.h"

#include "ws2812_driver.h"

typedef enum

{

LED_MODE_OFF,

LED_MODE_ALL_ON,

LED_MODE_BREATHE,

LED_MODE_GRADIENT,

LED_MODE_FLOW,

}led_mode_t;

typedef struct _led_config_t

{

led_mode_t mode;

uint8_t g;

uint8_t r;

uint8_t b;

uint8_t brightness;

}led_config_t;

void led_init(void);

void led_handle(void);

#endif

```

ws2812_app.c :

```c

#include "ws2812_driver.h"

#include "string.h"

uint8_t spi_buf[LED_NUM][9];

uint8_t dma_txbuf[LED_NUM*9];

void spi_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );//SPI2时钟使能

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_15;