一种高效的WS2812B控制算法——基于STM32G431CBU6的SPI+DMA

1.WS2812B介绍

ws2812b是一款集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源，采用单线归0码协议，每个像素点的三基色颜色可实现256级亮度显示。速率能达到1024pixel × 30fps / s，故被广泛用于各种需要大量使用RGB灯的场合。

不同厂商生产的ws2812存在不同的时序要求，下图是一款最常见的ws2812b通信协议。由此可以看出，我们一个0码或1码的周期在800ns~1400ns左右。

如果使用GPIO直接控制该总线，不但时序不好保证（编译器优化不同、不同库的汇编编译结果不同），而且十分占用CPU资源。如果采用外设去模拟IO口的翻转，则可以极大的减少CPU的资源占用。目前常见的通用外设控制方案为IIC、SPI、PWM等。考虑IIC可能使用得较多，故采用相对较少使用得SPI总线模拟该归0协议。若使用IIC模拟的思路相同。

2.SPI介绍

SPI的详情简介不必赘述。假设我们通过SPI发送0xAA，我们的数据线就会变为10101010，通过修改不同的内容，即可修改SPI中0和1的持续时间。比如0xF0即为前半周期为高电平，后半周期为低电平的状态。

在SPI的通信模式中，CPHA配置会影响该实验，下图展示了不同采样位置的SPI时序图^[1]。

• CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空闲状态 = 低电平，数据在下降沿采样，并在上升沿移出

  

• CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空闲状态 = 低电平，数据在上升沿采样，并在下降沿移出
  

由于需要控制某个电平持续一定时间，那么数据采样需要在时钟周期的结束，而不是开始，即CPHA = 1。

3.设计思路

由于控制高低电平占比（ws2812 bit）的时间需要多个SPI bit，故SPI发送的长度肯定大于通信的内容，即用多个SPI bit去模拟一个ws2812 bit。常见的SPI传输是8bit，但也可配置为12、16等比特。但为了DMA搬运数据时方便对齐，故配置为8bit。

在SPI 8bit的数据长度下，我们采用2,4,8,12,16的SPI bit去模拟一个ws2812 bit。比如可以得出一下组合（实际上的ws2812时序并没有数据手册上那么严格，且不同厂家的配置不同）：

• 用4个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1000；bit1可表示为1110。且一个SPI bit在250~420ns均可。
• 用8个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1100 0000；bit1可表示为1111 1100。且一个SPI bit在120~210ns均可。

当然不同比例的SPI bit可以调整出不同的SPI时间，具体根据SPI的配置时间。8个SPI bit能将时间调整得更精细，而4个SPI bit更省RAM。具体怎么配置还要和SPI的速度匹配。故我采用4个SPI bit模式。那么SPI的通信速率为$$\frac{1}{250ns}\le freq\le \frac{1}{420ns}$$。即2.4Mbps~4Mbps。

4.实现

用4个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1000；bit1可表示为1110。即LOW=0x08 HIGH=0x0E。

首先将SPI调整发送模式、数据长度、大小端、分频系数、CPHA：

然后配置GPIO，把发送脚配置为下拉：

最后配置DMA的管脚、方向、位宽：

代码：

#define  WSLEDNUM    8												// 定义灯的数量
uint8_t  wsFillMap[4] = {0x88, 0x8E, 0xE8, 0xEE};       			// 这是一个哈希表 00=0x88 01=0x8E 10=0xE8 11=0xEE
uint8_t  ws2812Buffer[WSLEDNUM*12+2] = {0};							// 数组缓冲区

void setOnePixRGB(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t index)
{
	uint8_t i;
	uint8_t *bufHead = ws2812Buffer + (12 * index);					// 通过bufHead确定该像素的首地址，减少后面计算
	
	for (i = 0; i < 4; ++i)											// 每次位移两位，通过哈希表来填充缓存区（当然你可以写一个4位的哈希表，就不用位移了）。并同时为GRB赋值，减少循环次数。
	{
			bufHead[0+i] = wsFillMap[(G >> (2 * i)) & 0x03];
			bufHead[4+i] = wsFillMap[(R >> (2 * i)) & 0x03];
			bufHead[8+i] = wsFillMap[(B >> (2 * i)) & 0x03];
	}
}

void flushWs2812(void)												// 刷新函数，多发两个低电平稳定电平（心里安慰，其实没用）
{
	HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, ws2812Buffer, WSLEDNUM*12+2);
}

这段代码实现了刷新一个灯的缓冲区，并通过哈希表减少运算量。最后通过DMA发送缓冲区数据即更新所有灯的状态。

注意，同时因为下拉的存在，所以不需要发送很多的0来发送RESET，但必须需保证两帧间隔大于文档中的RESET码时间。

5.总结与展望

实际上，这次买的ws2812b系列的灯，并不是该厂家的。通过调整系统主频发现可以稳定“超频”到5Mbps的SPI速率，由于STM32G431CBU6可以达到150M甚至170M，所以最终固定为：150MHz的主频，4.6875Mbps的SPI。

在150M的主频下，执行setOnePixRGB()这个函数1000次仅用时800us，故在不考虑DMA效率下，连续设置250个灯的时间也小于RESET200us的时间，可以放心用，不用考虑双Buffer，更省RAM。

最后，这段代码仅提供思路，哈希表可以更加优化，对长灯带的缓存区数据填充有更合适的方法。

6.参考文献

1.Piyu Dhaker. SPI接口简介[EB/OL]. 亚德诺半导体, 2017-06-19. [2023-05-19]. https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html.