【GD32F427开发板试用】点亮WS2812B炫彩灯环

news2024/12/24 8:41:14

本篇文章来自极术社区与兆易创新组织的GD32F427开发板评测活动，更多开发板试用活动请关注极术社区网站。作者：HonestQiao

我有一个WS2812B炫彩灯环，搭配精选的背景，非常出镜：

在玩过的板子上，我都要把它点亮。

关于WS2812B的介绍资料，网上有很多，这里就不细说了，只说重点：

WS2812B是单总线控制的：

控制一颗WS2812B与控制多颗WS2812B，方式是一样的，不同的只是每批传送的数据的多少。
我上面的这个灯环，就是24颗串联在一起，第一颗的DIN负责接收控信号，然后每一颗的DOUT，接下一颗的DIN，将控制信号传递过去，直到最后一颗。这种方式，可以连接上千颗一起控制。
需要注意的是，最后一颗的DOUT是留空的。所以上面这个炫彩灯环，首尾是不相连的。

WS2812B控制一颗灯珠，需要24bits的数据，代表着GRB三种颜色值：

控制多颗，则使用多组连续的24bits数据：

每颗WS2812B截取数据中最开始的24bits，然后把剩下的传递给后来者，直到数据发送完毕。

控制设备，不能直接发送这些bit位的信号，而是要按照一定的规则发送信号，才被检测为对应的bit位：

WS2812B规定了三种信号：0码、1码、reset码，这三种码，通过信号线上的高低电平的特定保持时间来做区分，具体如下：

也就是：

1个码的信号时间长度位1.25us
如果高电平保持0.4us，低电平保持0.85us，则判定为T0码
如果高电平保持0.8us，低电平保持0.45us，则判定为T1码
如果低电平持续至少50us，则判定位RESET码；例如传递第二批控制信号时，需要使用该码

上述数据，如图表所示，都有一定的容错范围，经过以往的测验经验，最终使用如下的值：

T0：高0.25us，低1.00us
T1：高1.00us，低0.25us
RESET：低50us

要实现0.25us的时间控制精度，那么换算成频率位：1/(0.25/1000000) = 4M。也就是控制设备，需要以4Mbits/s这么快的速度，来控制信号的变化，才能满足WS2812B控制信号的要求。

要满足上述的要求，可以有很多种方法。常用的有GPIO翻转，使用SPI的MOSI发送数据等。
有人可能有疑问，UART、I2C发送数据，也能带来信号线的高低电平变化，哪能使用吗？
UART的传送速度，通常波特率最高位1.5Mbits/s；I2C通信，超高速的能达到5M，但一般都达不到，通常可能为400kbits/s，快的位3.4Mbits/s。
而SPI，通常速度都能达到50Mbits/s。
但使用GPIO翻转来控制信号，并非所有的的设备都能达到，有的翻转的速率没有这么快。
经过实测，咱们的GD32F427开发板完全可以满足。所以，这篇分享，就直接使用GPIO翻转这种简单的方式来做了。
在实际使用中，有很多大佬，也研究了各种各样优化的方法，大家感兴趣的话，可以查找资料了解一下。

通过查看原理图和数据手册，可以使用PC1来进行控制，该引脚一般情况下没有直接复用：

具体接线如下：

因为我只打算一次点亮一颗灯珠，所以供电部分，直接使用板载的3.3V、GND即可。
如果需要点亮多颗灯珠，那么应该使用外部电源供电。点亮一颗灯珠的一种颜色，需要20mA电流，三种颜色都点亮，则需要60mA电流，24颗全部点亮，则需要1440mA电流。一般开发板的GPIO，是供不起的全部点亮的。

在前一篇文章Systick系统定时器的使用种，探讨了SysTick的基础使用，可以达到us级别的精确控制。不过亚us级别的控制，就会有一些吃力了。
在MCU的精确时间控制中，还有一种使用nop指令来进行控制的。所谓nop，就是一条空指令，一个最小的机器周期。通过一定数量的nop，从而实现亚us级别的控时。

GD32F427开发板的运行频率高低200MHz，经过实测，每200个nop，刚好经过1us，也就是每个nop为0.005us。那么要达到0.25us的控时，就需要50个nop。

在system_gd32f4xx.c中，有系统时钟的定义：

在 core_cmInstr.h 中，有关于nop的符号定义：

那么我们要定义0.25us，可以参考使用如下的方式：

#define NOP                                         \
    {                                               \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
    }

当然，也可以通过nop辅助多重循环，用更为简介的代码来实现。这里就先用直接nop的方式，更简洁明了。

前面要求的两个时间分别为0.25us，1.00us，就分别为1个NOP和4个NOP。

经过以上的准备工作，就可以编写实际的控制代码了，具体代码如下：

/*!
    \file    main.c
    \brief   GPIO running WS2812B demo

    \version 2022-11-24, V1.0.0, demo for GD32F4xx
*/


#include "gd32f4xx.h"
#include "gd32f427v_start.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>

#define NOP                                         \
    {                                               \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();    \
    }
    
void GPIO_Init(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);                                                //使能外部时钟

    gpio_mode_set(GPIOC, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_1);                //配置端口模式
    gpio_output_options_set(GPIOC, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_1);    //输出选项配置
    gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_1);                                                //PC1复位

}

#define LOW 0
#define HIGH 1
#define DIN PC1
#define NUM 24

//拉低DIN保持50us以上
void ws2812_init() {
  unsigned char i;
  gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_1);
  for (i = 0; i <= 200; i++) {
    NOP;
  }
}

//高电平0.25us，低电平1us
void ws2812_write_0() {
  gpio_bit_set(GPIOC, GPIO_PIN_1);
  NOP;
  gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_1);
  NOP;
  NOP;
  NOP;
  NOP;
}

//高电平1us，低电0.25us
void ws2812_write_1() {
  gpio_bit_set(GPIOC, GPIO_PIN_1);
  NOP;
  NOP;
  NOP;
  NOP;
  gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_1);
  NOP;
}


// 写入24bits
void ws2812_write_24bits(unsigned long dat) {
  unsigned char t[NUM] = {0};
  unsigned char i;

  for (i = 0; i < NUM; i++) {
    if (dat >> i & 1) {
      t[i] = HIGH;
    } else {
      t[i] = LOW;
    }
  }

  for (i = 0; i < NUM; i++) {
    if (t[i]) {
      ws2812_write_1();
    } else {
      ws2812_write_0();
    }
  }
}


void ws2812_test() {
  unsigned int i = 0;
  unsigned int j = 0;
  unsigned int index = 1;
  unsigned long colors[8] = {0x000000, 0xff0000, 0x00ff00, 0x0000ff,
                             0xffff00, 0xff00ff, 0x00ffff, 0xffffff};

  ws2812_init();

  while (1) {
    for (i = 0; i < NUM; i++) {
      if (index % NUM == i) {
        ws2812_write_24bits(colors[index % 7 + 1]);
      } else {
        ws2812_write_24bits(colors[0]);
      }
    }
    index++;
    if (index >= NUM) {
      index = 0;
    }
    // 延时0.1秒
    for (i = 0; i <= 200*50*100; i++) {
      NOP;
    }
  }
}

int main(void)
{
    systick_config();    //配置系统时钟
    GPIO_Init();
    
    ws2812_test();
}

上述代码中，关键调用说明如下：

gpio_bit_set(GPIOC, GPIO_PIN_1)：设置高电平
gpio_bit_reset(GPIOC, GPIO_PIN_1)：重置为低电平
ws2812_init()：重置WS2812B控制，拉低，保持50us
ws2812_write_0()：输出T0码，高0.25us，低0.25us
ws2812_write_1()：输出T1码，高1.00us，低0.25us
ws2812_write_24bits()：批量生成和输出T0、T1
ws2812_test()：使用index自增，表示当前需要点亮的灯珠，一次发送24组数据，每组24bits，且使用colors预定义8种颜色，colors[0]实际上表示熄灭。

编译以上代码，然后下载到开发板中，就可以看到炫彩的灯光，在灯环上欢快的跳跃了：

动图封面