STM32+WS2812B（SPI/PWM+DMA）
IC控制电路与LED点光源共用一个电源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采用24bit单线串行协议来实现RGB三色的控制串行级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码外围不需要包含电容在内的所有任何电子元器件。
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一、WS2812B介绍
1.1 产品简介
- IC控制电路与LED点光源共用一个电源
-
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
-
采用24bit单线串行协议来实现RGB三色的控制
-
串行级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码
-
外围不需要包含电容在内的所有任何电子元器件
1.2 应用电路：外围电路不需要加滤波电容
1.3 通信协议
- 数据协议采用单线归零码的通讯方式，输入码型如下：控制器发送数据 “0”码高电平时间必须小于0.47us；数据 “1”码高电平时间必须大于0.58us
- 采用24bit单线串行协议来实现RGB三色的控制：高位先发，按照GRB的顺序发送数据
- 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DO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，使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制，仅受限信号传输速度要求。
二、设计思路
2.1 设计思路
单片机的时钟频率是72M，将SPI时钟8分频后可以计算出传输一位的时间是1s/9M=111ns，按下图所示以111ns的间隔划分8份，其中左图高电平持续时间333ns，低电平持续时间555ns，符合0码的码型要求；右图高电平持续时间555ns，低电平持续时间333ns，符合1码的码型要求
由此可以看出使用SPI通信发送一个字节1110 0000（即0xE0）的数据就相当于发送了0码，同理发送1111 1100（即0xF8）的数据就相当于发送了1码
2.2 实测波形
这里展示SPI实现实际采用逻辑分析仪采集到的波形（点亮一个红灯的时序波形）
这里展示SPI+DMA实现实际采用逻辑分析仪采集到的波形（点亮一个红灯的时序波形）
可以看出SPI通过软件拼接数据帧有一定的延时，而SPI+DMA的方式可以使数据帧之间更好地衔接，虽然这两种方式在波形上有所区别，但在驱动WS2812的效果一模一样
这里展示PWM+DMA实现实际采用逻辑分析仪采集到的波形（点亮一个蓝灯的时序波形），发现了这里高、低电平的时间并不一致
三、代码实现
3.1 SPI实现
1. 首先先实现0码、1码的基础时序要求，即SPI发送字节0xE0、0xF8的函数
/**
* @brief 使用SPI发送一个字节的数据
* @param byte：要发送的数据
*/
void SPI_SendByte(uint8_t byte)
{
SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
}
void WS2812_Send_0(void)
{
SPI_SendByte(0XE0);
}
void WS2812_Send_1(void)
{
SPI_SendByte(0XF8);
}2. 由0码、1码拼接而成组成WS2812发送一个字节的函数
void WS2812_SendByte(uint16_t byte)
{
uint16_t i;
for(i=0;i<8;i++)
{
if (byte>>7)
{
WS2812_Send_1();
}
else
{
WS2812_Send_0();
}
byte=byte<<1;
}
}3. WS2812B需要传输24bit来控制一个RGB灯，连续调用三次即可完成24bit的传输
void WS2812_Send24Bit(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
WS2812_SendByte(g);
WS2812_SendByte(r);
WS2812_SendByte(b);
}
4. 当需要控制由WS2812组成的灯带时，则需要对每一个灯填充对应的RGB数值，这里以30个灯为例，定义了二维颜色缓冲数组，负责写入第几个灯的RGB数值，之后缓冲数组依次发送即可更新整条灯带的颜色控制
#define LED_Count 30
uint8_t Color_Array[LED_Count][3] = {0};
/*指定灯的颜色(n从1开始)*/
void WS2812_SetColor(uint8_t n, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
Color_Array[n-1][0] = r;
Color_Array[n-1][1] = g;
Color_Array[n-1][2] = b;
}
//颜色填充
void WS2812_Update(void)
{
uint16_t i;
for(i=0;i<LED_Count;i++)
{
WS2812_Send24Bit(Color_Array[i][0], Color_Array[i][1], Color_Array[i][2]);
}
}综上，这里附上完整的WS2812驱动代码
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "SPI_WS2812.h"
#include "Delay.h"
#define Code0 0XE0
#define Code1 0XF8
uint8_t Color_Array[LED_Count][3] = {0};
/**
* @brief WS2812初始化，采用SPI
* @param 无
* @retval 无
*/
void SPI_WS2812_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //开启SPI1的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA4引脚初始化为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA6引脚初始化为上拉输入
/*SPI初始化*/
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; //定义结构体变量
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //模式，选择为SPI主模式
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //方向，选择2线全双工
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //数据宽度，选择为8位
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //先行位，选择高位先行
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; //波特率分频，选择8分频
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //SPI极性，选择低极性
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式1
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS，选择由软件控制
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC多项式，暂时用不到，给默认值7
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1
/*SPI使能*/
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1，开始运行
}
/**
* @brief 使用SPI发送一个字节的数据
* @param byte：要发送的数据
*/
void SPI_SendByte(uint8_t byte)
{
SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
}
void WS2812_Send_0(void)
{
SPI_SendByte(Code0);
}
void WS2812_Send_1(void)
{
SPI_SendByte(Code1);
}
/*SPI发送一个字节的时序作为WS2812的一位数据*/
void WS2812_SendByte(uint8_t byte)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<8;i++)
{
if (byte>>7)
{
WS2812_Send_1();
}
else
{
WS2812_Send_0();
}
byte=byte<<1;
}
}
/*指定灯的颜色(n从1开始)*/
void WS2812_SetColor(uint8_t n, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
Color_Array[n-1][0] = r;
Color_Array[n-1][1] = g;
Color_Array[n-1][2] = b;
}
/*WS2812的24位数据对应G、R、B三色LED*/
void WS2812_Send24Bit(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
WS2812_SendByte(g);
WS2812_SendByte(r);
WS2812_SendByte(b);
}
/*颜色填充，根据缓冲数组进行更新RGB灯的显示*/
void WS2812_Update(void)
{
uint16_t i;
for(i=0;i<LED_Count;i++)
{
WS2812_Send24Bit(Color_Array[i][0], Color_Array[i][1], Color_Array[i][2]);
}
}
3.2 SPI+DMA实现
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "SPI_WS2812.h"
#include "Delay.h"
#define Code0 0XE0
#define Code1 0XF8
uint8_t Color_Array[LED_Count][24] = {0};
/**
* @brief WS2812初始化：采用SPI+DMA
* @param 无
* @retval 无
*/
void SPI_DMA_WS2812_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //开启SPI1的时钟
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); //开启DMA1的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA4引脚初始化为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA6引脚初始化为上拉输入
/*SPI初始化*/
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; //定义结构体变量
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //模式，选择为SPI主模式
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //方向，选择2线全双工
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //数据宽度，选择为8位
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //先行位，选择高位先行
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; //波特率分频，选择8分频
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //SPI极性，选择低极性
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式1
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS，选择由软件控制
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC多项式，暂时用不到，给默认值7
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1
/*SPI使能*/
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1，开始运行
/*DMA初始化*/
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure = {0}; //定义结构体变量
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&SPI1->DR; //外设基地址，给定形参AddrA
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //外设数据宽度，选择半字，对应16为的ADC数据寄存器
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址自增，选择失能，始终以ADC数据寄存器为源
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)Color_Array; //存储器基地址，给定存放AD转换结果的全局数组AD_Value
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //存储器数据宽度，选择半字，与源数据宽度对应
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //存储器地址自增，选择使能，每次转运后，数组移到下一个位置
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; //数据传输方向，选择由外设到存储器，ADC数据寄存器转到数组
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = LED_Count * 24; //转运的数据大小（转运次数），与ADC通道数一致
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //模式，选择循环模式，与ADC的连续转换一致
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //存储器到存储器，选择失能，数据由ADC外设触发转运到存储器
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //优先级，选择中等
DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure); //将结构体变量交给DMA_Init，配置DMA1的通道1
/*DMA使能*/
SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE);
DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE); //关闭DMA传输
/*初始化Color_Array数组*/
for(uint8_t i = 0; i < LED_Count; i++)
{
for(uint8_t j = 0; j < 24; j++)
{
Color_Array[i][j] = Code0;
}
}
}
/*指定灯的颜色(n从1开始)：对应操作就是赋值缓冲数组*/
void WS2812_SetColor(uint8_t n, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<8;i++)
{
if (g & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i] = Code0;
}
if (r & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i + 8] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i + 8] = Code0;
}
if (b & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i + 16] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i + 16] = Code0;
}
}
}
/*颜色填充，根据缓冲数组进行更新RGB灯的显示*/
void WS2812_Update(void)
{
DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE); //DMA失能，在写入传输计数器之前，需要DMA暂停工作
DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3, LED_Count * 24); //写入传输计数器，指定将要转运的次数
DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE); //DMA使能，开始工作
while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC3) == RESET); //等待DMA工作完成
DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC3); //清除工作完成标志位
}
3.3 PWM+DMA实现
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM_DMA_WS2812.h"
#include "Delay.h"
#define Code0 2
#define Code1 6
#define CodeReset 0
uint16_t Color_Array[LED_Count][24] = {0};
void PWM_DMA_WS2812_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //将PA0引脚初始化为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*配置时钟源选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2);
/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure = {0}; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 8 - 1; //计数周期，即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 8 - 1; //预分频器，即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器，高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元
/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure = {0};
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //输出比较模式，选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //初始的CCR值
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //将结构体变量交给TIM_OC1Init，配置TIM2的输出比较通道1
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
/*DMA初始化*/
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure = {0}; //定义结构体变量
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&TIM2->CCR1; //外设基地址，给定形参AddrA
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //外设数据宽度，选择半字，对应16为的TIM2的CCR1寄存器
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址自增，选择失能，始终以TIM2的CCR1寄存器为源
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)Color_Array; //存储器基地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //存储器数据宽度，选择半字，与源数据宽度对应
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //存储器地址自增，选择使能，每次转运后，数组移到下一个位置
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; //数据传输方向，选择由存储器到外设
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = LED_Count * 24; //转运的数据大小（转运次数）
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //模式，选择普通模式
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //存储器到存储器，选择失能
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //优先级，选择中等
DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure); //将结构体变量交给DMA_Init，配置DMA1的通道5
/*DMA使能*/
TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC1, ENABLE);
DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE);
//DMA1的通道5使能
/*初始化Color_Array数组*/
for(uint8_t i = 0; i < LED_Count; i++)
{
for(uint8_t j = 0; j < 24; j++)
{
Color_Array[i][j] = Code0;
}
}
}
/*颜色填充，根据缓冲数组进行更新RGB灯的显示*/
void WS2812_Update(void)
{
DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel5,LED_Count * 24);
DMA_Cmd(DMA1_Channel5,ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC5) != SET);
DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5);
TIM_SetCompare1(TIM2,CodeReset);
DMA_Cmd(DMA1_Channel5,DISABLE);
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
}
/*指定灯的颜色(n从1开始)：对应操作就是赋值缓冲数组*/
void WS2812_SetColor(uint8_t n, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<8;i++)
{
if (g & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i] = Code0;
}
if (r & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i + 8] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i + 8] = Code0;
}
if (b & (0x80 >> i) )
{
Color_Array[n-1][i + 16] = Code1;
}
else
{
Color_Array[n-1][i + 16] = Code0;
}
}
}
/*熄灭所有灯*/
void Lights_out(void)
{
for(uint8_t i = 0; i < LED_Count; i++)
{
for(uint8_t j = 0; j < 24; j++)
{
Color_Array[i][j] = Code0;
}
}
WS2812_Update();
}
四、效果展示
4.1 接线说明
| WS2812 | STM32F103C8T3 |
|---|---|
| VDD | 5V/3.3V |
| VSS | GND |
| DIN | PA7 |
4.2 效果展示
这里展示30颗RGB灯带
通过对缓冲数组进行操作即可实现花式点灯
WS2812效果展示
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