【项目篇】WS2812 炫彩LED灯驱动笔记（C51/STM32）

news2024/9/20 1:11:02

优信电子:51系列驱动WS2812

3528 幻彩雾状 贴片式发光二极管

XL-3528RGBW-WS2812B

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C51 驱动

使用 C51 单片机（如 8051 系列）驱动 WS2812 全彩 LED 需要仔细考虑 WS2812 的时序要求，因为 WS2812 使用的是单线通信协议，而 8051 系列单片机没有硬件支持这种协议。通常，我们需要手动生成符合 WS2812 时序的信号。这可以通过精确控制延时来实现。

以下是基于 C51 单片机驱动 WS2812 的一个基本方法：

1. WS2812 的时序要求

  • WS2812 的“0”信号：高电平约 0.35 µs，低电平约 0.9 µs。
  • WS2812 的“1”信号：高电平约 0.9 µs，低电平约 0.35 µs。

2. 基本方法

使用 C51 单片机的 GPIO 引脚手动产生高低电平信号，通过精确的延时控制来模拟 WS2812 的时序。

3. 设置 GPIO 引脚

选择一个 GPIO 引脚作为数据线输出。例如，假设使用 P1.0 作为 WS2812 的数据线。

4. 时序实现

为了生成准确的信号，必须精确控制延时。可以使用简单的 NOP（No Operation）指令或定时器来实现延时。

5. 代码示例

#include <reg51.h>

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 选择 P1.0 作为数据引脚

void delay_ns(unsigned int n) {
    while(n--);
}

void ws2812_send_bit(unsigned char bit) {
    if (bit) {
        WS2812_PIN = 1;
        delay_ns(3);  // 高电平持续时间约 0.9 µs
        WS2812_PIN = 0;
        delay_ns(1);  // 低电平持续时间约 0.35 µs
    } else {
        WS2812_PIN = 1;
        delay_ns(1);  // 高电平持续时间约 0.35 µs
        WS2812_PIN = 0;
        delay_ns(3);  // 低电平持续时间约 0.9 µs
    }
}

void ws2812_send_byte(unsigned char byte) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        ws2812_send_bit(byte & 0x80);  // 发送最高位
        byte <<= 1;                    // 左移准备发送下一位
    }
}

void ws2812_send_rgb(unsigned char green, unsigned char red, unsigned char blue) {
    ws2812_send_byte(green);  // 发送绿色通道数据
    ws2812_send_byte(red);    // 发送红色通道数据
    ws2812_send_byte(blue);   // 发送蓝色通道数据
}

void main() {
    while(1) {
        ws2812_send_rgb(0x00, 0xFF, 0x00);  // 发送纯红色
        delay_ns(50000);  // 延时，保持显示
    }
}

6. 解释代码

  • delay_ns 函数用于控制精确的延时，但由于 8051 的时钟频率不同，可能需要调整 delay_ns 的参数以获得所需的延时。
  • ws2812_send_bit 函数根据传递的位值（1 或 0）生成相应的高低电平信号。
  • ws2812_send_byte 函数发送一个字节的颜色数据，从最高位开始发送。
  • ws2812_send_rgb 函数按照 GRB 顺序发送颜色数据。

7. 注意事项

  • 精确的时序控制是关键。需要根据单片机的时钟频率调整延时函数的参数。
  • 在使用定时器或外部晶振时，要确保频率足够高，以便能精确控制到 µs 级别。

这种方法相对简单，但由于是软件控制的方式，可能会受到单片机其他任务的影响，导致时序不准确。对于需要控制大量 WS2812 LED 的复杂项目，可能需要考虑更高效的硬件平台或者利用更精确的硬件定时器来辅助实现。

STM32 SPI+DMA 驱动

头文件


#ifndef __WS2812_H
#define __WS2812_H

#include "stm32f10x.h"

//#define PIXEL_NUM 30
#define PIXEL_NUM 7


//硬件spi模拟ws2811时序（用spi的8位数据模拟ws281x的一位数据）
//要将系统时钟设置为56M，分频数设置为8，则SPI的通信频率为7M，传输一位数据的时间约为143纳秒（ns）
//3*143 = 429ns   5*143 = 715ns  符合WS281X芯片的通信时序。
//  _____   
// |     |___|   1111 1000  high level
//  ___         
// |   |_____|   1110 0000  low level

#define WS_HIGH 0XF8
#define WS_LOW  0XE0

void ws281x_init(void);
void ws281x_closeAll(void);
void ws281x_rainbowCycle(uint8_t wait);
uint32_t ws281x_color(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue);
void ws281x_setPixelColor(uint16_t n ,uint32_t GRBcolor);
void ws281x_show(void);

void ws281x_theaterChase(uint32_t c, uint16_t wait);
void ws281x_colorWipe(uint32_t c, uint16_t wait);
void ws281x_rainbow(uint8_t wait);
void ws281x_theaterChaseRainbow(uint8_t wait);

#endif /* __WS2812_H */

源文件

#include "../BOARD/ws2812/ws2812.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"

uint8_t pixelBuffer[PIXEL_NUM][24] ;
 

void ws281x_init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //PORTA时钟使能 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //SPI1时钟使能 	
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);	//使能DMA传输


  /* PA7  SPI1_MOSI */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //PA7复用推挽输出 SPI
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA

	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_1Line_Tx;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
	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2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_8;		//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为16
	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(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设
  SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE);
  
  DMA_DeInit(DMA1_Channel3);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t) &(SPI1 -> DR); //cpar;  //DMA外设ADC基地址
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)pixelBuffer; //cmar;  //DMA内存基地址
	DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;  //数据传输方向，从内存读取发送到外设
	DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = PIXEL_NUM * 24; //cndtr;  //DMA通道的DMA缓存的大小
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;  //数据宽度为8位
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //数据宽度为8位
	DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  //工作在正常缓存模式
	DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //DMA通道 x拥有中优先级 
	DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
	DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure);  //根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道USART1_Tx_DMA_Channel所标识的寄存器 
  
  ws281x_closeAll();  //关闭全部的灯
  delay_ms(100); //关闭全部的灯需要一定的时间  
}

void ws281x_closeAll(void)
{
  uint16_t i;
  uint8_t j;
  
  for(i = 0; i < PIXEL_NUM; ++i)
  {
    for(j = 0; j < 24; ++j)
    {
      pixelBuffer[i][j] = WS_LOW;
    }
  }
  ws281x_show(); 
}

uint32_t ws281x_color(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue)
{
  return green << 16 | red << 8 | blue;
}

void ws281x_setPixelColor(uint16_t n ,uint32_t GRBcolor)
{
  uint8_t i;
  if(n < PIXEL_NUM)
  {
    for(i = 0; i < 24; ++i)
    {
      pixelBuffer[n][i] = (((GRBcolor << i) & 0X800000) ? WS_HIGH : WS_LOW); // 1000 0000 0000 0000 0000 0000 24位
    }
  }
}
// |     |___|   1111 1000  high level
//  ___         
// |   |_____|   1110 0000  low level

//#define WS_HIGH 0XF8
//#define WS_LOW  0XE0

void ws281x_setPixelRGB(uint16_t n ,uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue)
{
  uint8_t i;
  
  if(n < PIXEL_NUM)
  {
    for(i = 0; i < 24; ++i)
    {
      pixelBuffer[n][i] = (((ws281x_color(red,green,blue) << i) & 0X800000) ? WS_HIGH : WS_LOW);
    }
  }
}

void ws281x_show(void)
{
    DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE );  //关闭USART1 TX DMA1 所指示的通道 
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC3);    
 	  DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3,24 * PIXEL_NUM );//DMA通道的DMA缓存的大小
 	  DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE);  //使能USART1 TX DMA1 所指示的通道 
}



// Input a value 0 to 255 to get a color value.
// The colours are a transition r - g - b - back to r.
uint32_t ws281x_wheel(uint8_t wheelPos) {
  wheelPos = 255 - wheelPos;
  if(wheelPos < 85) {
    return ws281x_color(255 - wheelPos * 3, 0, wheelPos * 3);
  }
  if(wheelPos < 170) {
    wheelPos -= 85;
    return ws281x_color(0, wheelPos * 3, 255 - wheelPos * 3);
  }
  wheelPos -= 170;
  return ws281x_color(wheelPos * 3, 255 - wheelPos * 3, 0);
}

// Fill the dots one after the other with a color
void ws281x_colorWipe(uint32_t c, uint16_t wait) {
  for(uint16_t i=0; i<PIXEL_NUM; i++) {
    ws281x_setPixelColor(i, c);
    ws281x_show();
    delay_ms(wait);
  }
}

void ws281x_rainbow(uint8_t wait) {
  uint16_t i, j;

  for(j=0; j<256; j++) {
    for(i=0; i<PIXEL_NUM; i++) {
      ws281x_setPixelColor(i, ws281x_wheel((i+j) & 255));
    }
    ws281x_show();
    delay_ms(wait);
  }
}

// Slightly different, this makes the rainbow equally distributed throughout
void ws281x_rainbowCycle(uint8_t wait) {
  uint16_t i, j;

  for(j=0; j<256*5; j++) { // 5 cycles of all colors on wheel
    for(i=0; i< PIXEL_NUM; i++) {
      ws281x_setPixelColor(i,ws281x_wheel(((i * 256 / PIXEL_NUM) + j) & 255));
    }
    ws281x_show();
    delay_ms(wait);
  }
}

//Theatre-style crawling lights.
void ws281x_theaterChase(uint32_t c, uint16_t wait) {
  for (int j=0; j<10; j++) {  //do 10 cycles of chasing
    for (int q=0; q < 3; q++) {
      for (uint16_t i=0; i < PIXEL_NUM; i=i+3) {
        ws281x_setPixelColor(i+q, c);    //turn every third pixel on
      }
      ws281x_show();

      delay_ms(wait);

      for (uint16_t i=0; i < PIXEL_NUM; i=i+3) {
        ws281x_setPixelColor(i+q, 0);        //turn every third pixel off
      }
    }
  }
}

//Theatre-style crawling lights with rainbow effect
void ws281x_theaterChaseRainbow(uint8_t wait) {
  for (int j=0; j < 256; j++) {     // cycle all 256 colors in the wheel
    for (int q=0; q < 3; q++) {
      for (uint16_t i=0; i < PIXEL_NUM; i=i+3) {
        ws281x_setPixelColor(i+q, ws281x_wheel( (i+j) % 255));    //turn every third pixel on
      }
      ws281x_show();

      delay_ms(wait);

      for (uint16_t i=0; i < PIXEL_NUM; i=i+3) {
        ws281x_setPixelColor(i+q, 0);        //turn every third pixel off
      }
    }
  }
}

main.c

#include "stm32f10x.h"

#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "../BOARD/ws2812/ws2812.h"


const char s[5];
int8_t i;

int main(void)
{
    usart1_init(115200);
    delay_init();
    ws281x_init();

    while (1) {
//        // Some example procedures showing how to display to the pixels:
//        ws281x_colorWipe(ws281x_color(255, 0, 0), 1000); // Red
//        ws281x_colorWipe(ws281x_color(0, 255, 0), 1000); // Green
//        ws281x_colorWipe(ws281x_color(0, 0, 255), 1000); // Blue
//        //colorWipe(strip.Color(0, 0, 0, 255), 50); // White RGBW
//        // Send a theater pixel chase in...
//        ws281x_theaterChase(ws281x_color(127, 127, 127), 1000); // White
//        ws281x_theaterChase(ws281x_color(127, 0, 0), 1000); // Red
//        ws281x_theaterChase(ws281x_color(0, 0, 127), 1000); // Blue
        //ws281x_rainbow(20);
//        ws281x_rainbowCycle(20);
//        ws281x_theaterChaseRainbow(200);

        for (i = 0; i < PIXEL_NUM; ++i) {
            ws281x_setPixelColor(i, ws281x_color(255, 127, 127));
            ws281x_show();
            delay_ms(10);
        }
    }
}

资料下载

  • [1] 【开源】WS2812 全彩LED灯珠驱动程序

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