实现目标

  • 每隔一秒,点亮模块上的一个 LED点亮模块上的所有 LED

 

所需工具及环境

  • Keil 5STM32F103RET6 核心板(本平台自制专用核心板,随便找一个开发板亦可)8 位 圆形 WS2812B LED 模块

 

本文源码

 

 

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简介

多位(几个 LED 就是几位)通过引脚级联,接一个 LED 的 DOUT 引脚到另一个 LED 的 DIN 引脚,通过这种级联的方式,只需要使用一个 IO 口(单片机引脚)就能控制尽可能多的 LED。

 

每个 LED 都集成了一颗驱动芯片在里面,让我们的 LED 变得智能和寻址,每一个内部都有恒流驱动,所以 LED 颜色非常一致,即使电压有小幅抖动,电压变化也是一样的。

 

不需要外部电阻——限流电阻,使 LED 灯的布局设计变得简单。

 

单线通信,能够最大限度的减少单片机 IO 口的压力,另外这款 RGB 灯使用了 WS2812B 驱动芯片,让外围电路只需要一颗电容就能够满足电路需求,从而最大可能的让电路变得简单优美。

 

特点

  1. 智能反接保护,电源反接不会损坏 IC;IC 控制电路与 LED 点光源公用一个电源;控制电路与 RGB 芯片集成在一个 5050 封装的元器件中,构成一个外控像素点;内置信号整形电路,任何一个像素点收到信号后经过波形整形再输出,保证线路波形畸变不会累加;内置上电复位和掉电复位电路;每个像素点的三基色颜色可实现 256 级亮度显示,完成 16777216 种颜色的全真色彩显示,扫描频率不低于 400Hz;串行级联接口,能通过一根信号线完成数据的接收与解码;任意两点传输距离在不超过 5 米时,无需增加额外电路;当刷新速率 30 帧 / 秒时,级联数不小于 1024 点;数据发送速度可达 800Kbps;光的颜色高度一致,性价比高。

 

注意: 800Kbps,相当于 1.25us 传输一比特数据。

 

引脚图

 

 

引脚功能描述:

 

NO. Symbol 功能描述
1 VDD LED 的供电电源,Vdd 范围 +3.5~+5.3 V
2 DOUT 控制信号数据输出引脚
3 VSS
4 DIN 控制信号数据输入引脚

 

典型电路

串联方法

 

 

原理图

 

 

除了灯珠以外只需要额外增加一个 0.1uF 的电容即可。

 

硬件连接

 

STM32F103RET6 核心板 WS2812B 模块
PA6 DIN
VCC +5V
GND GND

 

驱动原理

数据协议采用单线归零码的通讯方式,像素点在上电复位以后,DIN 端接受从控制器传输过来的数据,首先送过来的 24bit 数据被第一个像素点提取后,送到像素点内部的数据锁存器,剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过 DOUT 端口开始转发输出给下一个级联的像素点,每经过一个像素点的传输,信号减少 24bit。

 

像素点采用自动整形转发技术,使得像素点的级联个数不受信号传送的限制,仅仅受限信号传输速度要求。

 

因为数据被内部锁存,所以只要不改变颜色值(模块持续供电),颜色是不会发生改变的,设置颜色的脉冲也不需要持续提供(单片机发生复位也无影响),只需要在修改颜色值的时候,发送一遍即可。

 

0 和 1 的区分

 

 

Treset:复位时间

 

 

由上图可知,我们要发送 '0' ,需要将 GPIO 引脚置高并持续 0.4 us(400 ns),然后 GPIO 置低并持续 0.85 us(850 ns),此过程即完成0 code的发送,具体代码实现如下:

 

void send_0(void)
{
    IN_H;
    Wait400ns;
    IN_L;
    Wait850ns;
}

 

我们要发送 '1' ,需要将 GPIO 引脚置高并持续 0.85 us(850 ns),然后 GPIO 置低并持续 0.4 us(400 ns),此过程即完成1 code的发送,具体代码实现如下:

 

void send_1(void)
{
    IN_H;
    Wait850ns;
    IN_L;
    Wait400ns;
}

 

所以本程序的难点即是求取 400 ns 和 850 ns 相对精确的延时时间。

 

延时函数的实现

单片机里的延时函数一般通过执行一些无意义的循环进行延时,比如定义如下函数:

 

void delay(unsigned char i)
{
    while(--i);
}

 

我们这里需要的延时周期很小,才 1.25us,因为函数的调用,需要入栈和出栈,所以如果使用上面的延时函数的方式的话,那么一进一出就接近几百 ns 的时间就没了,所以为了精确控制,我们这里延时函数的定义如下:

 

#define    Wait10nop        {__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();}
#define    Wait250ns        {__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();}
#define    Wait400ns        {Wait250ns;Wait10nop;}    //388
#define    Wait850ns        {Wait250ns;Wait10nop;Wait10nop;Wait10nop;Wait10nop;__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();}    //860

 

我们在 main 函数中使用如下方式测试这个延时函数:

 

while(1)
{
    IN_H;
    //Wait250ns;
    Wait850ns;
    IN_L;
    //Wait250ns;
    Wait850ns;
}

 

然后用示波器观察与模块 DIN 引脚相连的 GPIO 输出的脉冲信号,查看其高电平是否与咱们预定义的一致,如果不一致,增加或减少空指令进行调整。

 

注意:一个 __NOP(); 空指令的耗时大约:1000/72 ≈ 14 ns 的时间,自己可以在上面定义的基础上,根据需要随意增加或者减少 __NOP(); 空指令的个数。

 

 

注意空指令前面是两个“_”。

 

经过示波器测量,不断调整,上面定义的 Wait250ns 宏定义的耗时如下图所示。

 

 

经过示波器测试,上面的 Wait400ns 耗时为 388 ns , Wait850ns 耗时为 860 ns,满足上面"0"和"1"的时间区间范围。

 

24 bit 数据的组成

 

 

注意: 数据传输顺序按 GRB 顺序传输,并且高位在前。

 

void ws2812_rgb(u8 ws_num,u8 ws_r,u8 ws_g,u8 ws_b) 
{
    ws_data[(ws_num-1)*3]=ws_g;
    ws_data[(ws_num-1)*3+1]=ws_r;
    ws_data[(ws_num-1)*3+2]=ws_b;
}

 

ws_data[] 数组用于记录待传输的 RGB 数据,每一个灯珠的颜色占用三个字节,因为数据传输顺序按 GRB 的顺序传输,所以赋值的时候注意先后顺序,上面函数是设置某一个灯珠的颜色值。

 

ws_data[] 数组中颜色值设置完毕之后,就要把这个数组的数据发送到模块中,具体的实现函数如下:

 

void ws2812_refresh(u8 ws_count)
{
    u8 ws_ri=0;
    
    for(;ws_ri    {
        if((ws_data[ws_ri]&0x80)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x40)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x20)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x10)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x08)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x04)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x02)==0) send_0(); else send_1();
        if((ws_data[ws_ri]&0x01)==0) send_0(); else send_1();
    }
    
    // 延时一段时间
    ws2812_reset();
}

 

ws_data[] 数组中的每一个字节按位发送,因为高位在前,所以先发送每个字节的高位,获取最高位的值的方法为:ws_data[ws_ri]&0x80 。

 

数据传输方法

 

N 位的模块,一次就要发送 N * 3 字节的数据。

 

注意: 上图中 D1 的数据是通过单片机发送,D2,D3,D4 通过像素内重塑放大传输。

 

main 函数实现

main 函数中,每隔 1S,点亮一个 LED,当 8 个 LED 都点亮一次之后,所有 LED 点亮一次,然后再开启下一次循环。

 

main 函数的具体实现如下所示:

 

int main(void)  
{ 
    int times = 0; 
    
    // 初始化
    // 延时函数初始化   
    delay_init();
    
    uart_init(115200);    // 串口 1:Debug,初始化为 115200 

    ws2812_init();
    
    printf("System Init OK ...\r\n");
 
    while(1) 
    {  
        times++; 

        if(times > 8)
            times = 0;
        
        switch(times)
        {
            case 0:
                ws2812_rgb(1, WS_RED);
                ws2812_rgb(2, WS_GREEN);
                ws2812_rgb(3, WS_BLUE);
                ws2812_rgb(4, WS_WHITE);
                ws2812_rgb(5, WS_PURPLE);
                ws2812_rgb(6, WS_YELLOW);
                ws2812_rgb(7, WS_BROWN);
                ws2812_rgb(8, WS_BLUE);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 1:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(1, WS_RED);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 2:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(2, WS_GREEN);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 3:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(3, WS_BLUE);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 4:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(4, WS_WHITE);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 5:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(5, WS_PURPLE);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 6:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(6, WS_YELLOW);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 7:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(7, WS_BROWN);
                ws2812_refresh(8);
                break;
            case 8:
                memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(8, WS_BLUE);
                ws2812_refresh(8);
                break;
        }
        
        delay_ms(1000);        
    }  
}

 

颜色 RGB 值查询

颜色的 RGB 值和名称可以参考下面链接:

 

https://code.ziqiangxuetang.com/try/color.py

 

程序中颜色预定义如下:

 

#define WS_DARK  0,0,0
#define WS_WHITE  255,255,255
#define WS_RED   255,0,0
#define WS_GREEN  0,255,0
#define WS_BLUE  0,0,255
#define WS_YELLOW  255,255,0
#define WS_PURPLE   255,0,255
#define WS_CYAN  0,255,255
#define WS_BROWN    165,42,42

 

大家可以根据自己的喜欢,随意替换颜色。

结果展示

 

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