基于51单片机和WS2812B的彩色流水灯(SPI+DMA)
彩色流水灯，51单片机，WS2812B，SPI+DMA，普中开发板。
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系列文章目录
前言
本代码使用的是普中A2开发板。
【单片机】STC32G12K128
【频率】35.0000MHz
【外设】WS2812B彩灯
效果查看/操作演示：B站搜索“甘腾胜”或“gantengsheng”查看。
源代码下载：B站对应视频的简介有工程文件下载链接。
一、效果展示
二、各模块代码
无
三、主函数
main.c
/*by甘腾胜@20250701
【效果查看/操作演示】B站搜索“甘腾胜”或“gantengsheng”查看
【单片机】STC32G12K128
【频率】35.0000MHz（本案例实测烧录频率从22.1184MHz~35.0000Mhz均能驱动WS2812B）
【驱动】利用SPI+DMA驱动WS2812B
【接线】WS2812B：DIN接P13
【说明】
（1）DMA传输，不占用CPU时间。每个灯有24bit数据，需要24字节的占空比来控制。
（2）每个灯3个字节，分别对应绿、红、蓝，高位先发。
（3）800KHz码率，数据0(1/4占空比): H=0.3125us，L=0.9375us；数据1(3/4占空比): H=0.9375us，L=0.3125us，RESET>=50us。
（4）高电平时间要精确控制在要求的范围内，低电平时间不需要精确控制，大于要求的最小值并小于RES的50us即可。
（5）参考了国芯技术交流网站（https://www.stcaimcu.com/）梁工的代码。
（6）WS2812S的标准时序如下:
TH+TL = 1.25us±150ns，RES>50us
T0H = 0.25us±150ns = 0.10us ~ 0.40us
T0L = 1.00us±150ns = 0.85us ~ 1.15us
T1H = 1.00us±150ns = 0.85us ~ 1.15us
T1L = 0.25us±150ns = 0.10us ~ 0.40us
两个位数据之间的间隔要小于RES的50us
*/
//双引号表示先在工程目录寻找头文件，再在Keil安装目录寻找
//尖括号表示先在Keil安装目录寻找头文件，再在工程目录寻找
#include "STC32G.H" //51单片机头文件
//定义主时钟
#define MAIN_Fosc 35000000UL
//流水灯移动的时间间隔，单位：ms
#define Duration 100
//LED灯珠个数
//此款单片机的xdata为8K，可驱动8*1024/15=546颗灯珠
//如果数组WS2812B_Buffer的变量不存储在xdata，则最多可驱动8*1024/12=682颗灯珠
#define LED_Quantity 32
//LED灯对应SPI字节数
#define SPI_Quantity LED_Quantity*12
/** WS2812B显存数组
*
* 用LED_Quantity*3个字节作为WS2812B的显示缓存
* 共有LED_Quantity个灯珠，每个灯珠需要写入24Bit（3个字节）控制显示的颜色
* WS2812B芯片要求按G、R、B的顺序发送数据，并且每个字节要高位先发
* 缓存数组中每三个字节为一组，每一组分别对应一个灯珠的G（绿）、R（红）、B（蓝）三原色
* 想改变屏幕显示，先对此显存数组进行修改
* 随后调用WS2812B_Update函数
* 才会将显存数组的数据写入每个灯珠的WS2812B芯片内
*/
unsigned char xdata WS2812B_Buffer[LED_Quantity][3];
/** SPI缓存数组
*
* 使用SPI-MOSI输出直接驱动WS2812B彩屏，通过DMA传输
* 800KHz码率
* 数据0(1/4占空比): H=0.3125us，L=0.9375us
* 数据1(3/4占空比): H=0.9375us，L=0.3125us
* RESET>50us
*
* WS2812S的标准时序如下:
* TH+TL=1.25us±150ns，RES>50us
* T0H=0.25us±150ns=0.10us~0.40us
* T0L=1.00us±150ns=0.85us~1.15us
* T1H=1.00us±150ns=0.85us~1.15us
* T1L=0.25us±150ns=0.10us~0.40us
* 两个位数据之间的间隔要小于RESET的50us
*
* 用SPI传输，MSB先发，每个字节高4位和低4位分别对应WS2812的一个位数据
* SPI数据位 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
* 1 0 0 0 1 1 1 0
* WS2812数据0 WS2812数据1
*
* 参考了国芯技术交流网站（https://www.stcaimcu.com/）梁工的代码
*/
unsigned char xdata SPI_Buffer[SPI_Quantity]; //SPI缓存
void Delay(unsigned int xms);
void UpdateSPI(void);
void SPI_Init(void);
void DMA2SPI_Start(void);
void WS2812B_Clear(void);
void WS2812B_Update(void);
void WS2812B_Init(void);
void WS2812B_SetBuffer(unsigned int Number,unsigned char R,unsigned char G,unsigned char B);
/**
* 函 数：主函数（有且仅有一个）
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 说 明：主函数是程序执行的起点，负责执行整个程序的主要逻辑
*/
void main()
{
int i;
EAXFR=1; //使能访问XFR（扩展RAM区域特殊功能寄存器）
CKCON=0; //设置外部数据总线速度为最快
WTST=0; //设置程序代码等待参数，赋值为0可将CPU执行程序的速度设置为最快
//全部IO口设置为准双向口
P0M1=0;P0M0=0;
P1M1=0;P1M0=0;
P2M1=0;P2M0=0;
P3M1=0;P3M0=0;
P4M1=0;P4M0=0;
P5M1=0;P5M0=0;
P6M1=0;P6M0=0;
P7M1=0;P7M0=0;
WS2812B_Init();
while(1)
{
for(i=0;i<LED_Quantity;i++)
{
WS2812B_Clear();
WS2812B_SetBuffer((i+5)%LED_Quantity,63,0,0); //红色
WS2812B_SetBuffer((i+4)%LED_Quantity,0,63,0); //绿色
WS2812B_SetBuffer((i+3)%LED_Quantity,0,0,63); //蓝色
WS2812B_SetBuffer((i+2)%LED_Quantity,31,31,0); //黄色
WS2812B_SetBuffer((i+1)%LED_Quantity,31,0,31); //紫色
WS2812B_SetBuffer(i,0,31,31); //青色
WS2812B_Update(); //更新显示
Delay(Duration);
}
}
}
/**
* 函 数：延时函数，延时约xms毫秒
* 参 数：xms 延时的时长，范围：0~65535
* 返 回 值：无
*/
void Delay(unsigned int xms)
{
unsigned long i;
while(xms--)
{
i=MAIN_Fosc/4000;
while(i)i--;
}
}
/**
* 函 数：更新SPI缓存数组的数据（根据WS2812B缓存数组的数据来更新）
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void UpdateSPI(void)
{
unsigned char xdata *px; //定义一个指向片外扩展RAM的指针
unsigned int i,j=0;
unsigned char k;
unsigned char Temp; //临时变量
for(i=0;i<SPI_Quantity;i++) //先清空SPI数组数据
{
SPI_Buffer[i]=0;
}
px = &WS2812B_Buffer[0][0]; //获取数组WS2812B_Buffer的首地址
for(i=0;i<LED_Quantity*3;i++)
{
Temp=*(px+i);
for(k=0;k<4;k++)
{
if( Temp & (0x80>>(2*k)) )
{
SPI_Buffer[j] = 0xE0; //数据1（高四位）
}
else
{
SPI_Buffer[j] = 0x80; //数据0（高四位）
}
if( Temp & (0x80>>(2*k+1)) )
{
SPI_Buffer[j] |= 0x0E; //数据1（低四位）
}
else
{
SPI_Buffer[j] |= 0x08; //数据0（低四位）
}
j++;
}
}
}
/**
* 函 数：配置SPI
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void SPI_Init(void)
{
HSCLKDIV=0; //高速时钟不分频
/*
【SPCTL】SPI控制寄存器，SPI速度控制
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1B0
SSIG SPEN DORD MSTR CPOL CPHA SPR[1:0]
SSIG：SS 引脚功能控制位
0：SS 引脚确定器件是主机还是从机
1：忽略 SS 引脚功能，使用 MSTR 确定器件是主机还是从机
SPEN：SPI 使能控制位
0：关闭 SPI 功能
1：使能 SPI 功能
DORD：SPI 数据位发送/接收的顺序
0：先发送/接收数据的高位（MSB）
1：先发送/接收数据的低位（LSB）
MSTR：器件主/从模式选择位
设置主机模式：
若 SSIG＝0，则 SS 管脚必须为高电平且设置 MSTR 为 1
若 SSIG＝1，则只需要设置 MSTR 为 1（忽略 SS 管脚的电平）
设置从机模式：
若 SSIG＝0，则 SS 管脚必须为低电平（与 MSTR 位无关）
若 SSIG＝1，则只需要设置 MSTR 为 0（忽略 SS 管脚的电平）
CPOL：SPI 时钟极性控制
0：SCLK 空闲时为低电平，SCLK 的前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿
1：SCLK 空闲时为高电平，SCLK 的前时钟沿为下降沿，后时钟沿为上升沿
CPHA：SPI 时钟相位控制
0：数据 SS 管脚为低电平驱动第一位数据并在 SCLK 的后时钟沿改变数据，前时钟沿采样数据（必须 SSIG＝0）
1：数据在 SCLK 的前时钟沿驱动，后时钟沿采样
SPR[1:0]：SPI 时钟频率选择
SPR[1:0] SCLK 频率
00 SPI输入时钟/4
01 SPI输入时钟/8
10 SPI输入时钟/16
11 SPI输入时钟/2
*/
SPCTL=0xD5;
/*
SPI_S[1:0]：SPI 功能脚选择位
SPI_S[1:0] SS MOSI MISO SCLK
00 P1.2/P5.4[1] P1.3 P1.4 P1.5
01 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5
10 P5.4 P4.0 P4.1 P4.3
11 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2
有 P1.2 口的型号，此功能在 P1.2 口上，对于无 P1.2 口的型号，此功能在 P5.4 口上
*/
//下面四个只能选一个解除注释使用
SPI_S1=0;
SPI_S0=0; //对应SPI_S[1:0]为00的情况，即用P13作为MOSI口，用P14作为MISO口
P14=0; //MISO = 0, 目的是让MOSI输出完毕保持低电平
// SPI_S1=0;
// SPI_S0=1; //对应SPI_S[1:0]为01的情况，即用P23作为MOSI口，用P24作为MISO口
// P24=0; //MISO = 0, 目的是让MOSI输出完毕保持低电平
// SPI_S1=1;
// SPI_S0=0; //对应SPI_S[1:0]为10的情况，即用P40作为MOSI口，用P41作为MISO口
// P41=0; //MISO = 0, 目的是让MOSI输出完毕保持低电平
// SPI_S1=1;
// SPI_S0=1; //对应SPI_S[1:0]为11的情况，即用P34作为MOSI口，用P34作为MISO口
// P33=0; //MISO = 0, 目的是让MOSI输出完毕保持低电平
}
/**
* 函 数：开始传输数据
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void DMA2SPI_Start(void)
{
unsigned int Address; //用来存储地址
Address=(unsigned int)&SPI_Buffer[0]; //取首地址，强制转换为unsigned int型
DMA_SPI_TXAH=(unsigned char)(Address>>8); //发送地址寄存器高字节
DMA_SPI_TXAL=(unsigned char)Address; //发送地址寄存器低字节
DMA_SPI_AMTH=(unsigned char)((SPI_Quantity-1)/256); //设置传输总字节数 = n+1
DMA_SPI_AMT=(unsigned char)((SPI_Quantity-1)%256); //设置传输总字节数 = n+1
/*
【DMA_SPI_STA】SPI_DMA 状态寄存器
- - - - - B2 B1 B0
TXOVW RXLOSS SPIIF
SPIIF：SPI_DMA中断请求标志位。
当SPI_DMA数据交换完成后，硬件自动将SPIIF置1，若使能SPI_DMA中断则进入中断服务程序。标志位需软件清零。
RXLOSS：SPI_DMA 接收数据丢弃标志位。
SPI_DMA 操作过程中，当 XRAM 总线过于繁忙，来不及清空 SPI_DMA 的接收 FIFO 导致 SPI_DMA 接收的数据自动丢弃时，
硬件硬件自动将 RXLOSS 置 1。标志位需软件清零。
TXOVW：SPI_DMA 数据覆盖标志位。
SPI_DMA 正在数据传输过程中，主机模式的 SPI 写 SPDAT 寄存器再次触发 SPI 数据传输时，
会导致数据传输失败，此时硬件硬件自动将 TXOVW 置 1。标志位需软件清零。
*/
DMA_SPI_STA=0x00;
/*
【DMA_SPI_CFG】SPI_DMA 配置寄存器
B7 B6 B5 B4 B3B2 B1B0
SPIIE ACT_TX ACT_RX - SPIIP[1:0] SPIPTY[1:0]
SPIIE：SPI_DMA 中断使能控制位
0：禁止 SPI_DMA 中断
1：允许 SPI_DMA 中断
ACT_TX：SPI_DMA 发送数据控制位
0：禁止 SPI_DMA 发送数据。主机模式时，SPI 只发送时钟到 SCLK 端口，但不从 XRAM 读取数据，
也不向 MOSI 端口上发送数据；从机模式时，SPI 不从 XRAM 读取数据，也不向 MISO 端口上发送数据
1：允许 SPI_DMA 发送数据。主机模式时，SPI 发送时钟到 SCLK 端口，同时从 XRAM 读取数据，
并将数据发送到 MOSI 端口；从机模式时，SPI 从 XRAM 读取数据，并将数据发送到 MISO 端口
ACT_RX：SPI_DMA 接收数据控制位
0：禁止 SPI_DMA 接收数据。主机模式时，SPI 只发送时钟到 SCLK 端口，但不从 MISO 端口读取
数据，也向 XRAM 写数据；从机模式时，SPI 不从 MOSI 端口读取数据，也不向 XRAM 写数据。
1：允许 SPI_DMA 接收数据。主机模式时，SPI 发送时钟到 SCLK 端口，同时从 MISO 端口读取数
据，并将数据写入 XRAM；从机模式时，SPI 从 MOSI 端口读取数据，并写入 XRAM。
SPIIP[1:0]：SPI_DMA 中断优先级控制位
SPIIP[1:0] 中断优先级
00 最低级（0）
01 较低级（1）
10 较高级（2）
11 最高级（3）
SPIPTY[1:0]：SPI_DMA 数据总线访问优先级控制位
SPIPTY [1:0] 总线优先级
00 最低级（0）
01 较低级（1）
10 较高级（2）
11 最高级（3）
*/
DMA_SPI_CFG=0x40;
/*
【DMA_SPI_CFG2】SPI_DMA 配置寄存器 2
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1B0
- - - - - WRPSS SSS[1:0]
WRPSS：SPI_DMA 过程中使能 SS 脚控制位
0：SPI_DMA 传输过程中，不自动控制 SS 脚
1：SPI_DMA 传输过程中，自动拉低 SS 脚，传输完成后，自动恢复原始状态
SSS[1:0]：SPI_DMA 过程中，自动控制 SS 选择位
SSS[1:0] SS 脚
00 P1.2/P5.4
01 P2.2
10 P7.4
11 P3.5
有 P1.2 口的型号，此功能在 P1.2 口上，对于无 P1.2 口的型号，此功能在 P5.4 口上
*/
DMA_SPI_CFG2=0x00;
/*
【DMA_SPI_CR】SPI_DMA 控制寄存器
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
ENSPI TRIG_M TRIG_S - - - - CLRFIFO
ENSPI：SPI_DMA 功能使能控制位
0：禁止 SPI_DMA 功能
1：允许 SPI_DMA 功能
TRIG_M：SPI_DMA 主机模式触发控制位
0：写 0 无效
1：写 1 开始 SPI_DMA 主机模式操作
TRIG_S：SPI_DMA 从机模式触发控制位
0：写 0 无效
1：写 1 开始 SPI_DMA 从机模式操作
CLRFIFO：清除 SPI_DMA 接收 FIFO 控制位
0：写 0 无效
1：开始 SPI_DMA 操作前，先清空 SPI_DMA 内置的 FIFO
*/
DMA_SPI_CR=0xC1;
}
/**
* 函 数：WS2812B彩屏清空显存数组
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 说 明：需要调用WS2812B_Update函数才能更新到屏幕显示
*/
void WS2812B_Clear(void)
{
unsigned int i;
for(i=0;i<LED_Quantity;i++)
{
WS2812B_Buffer[i][0]=0;
WS2812B_Buffer[i][1]=0;
WS2812B_Buffer[i][2]=0;
}
}
/**
* 函 数：WS2812B更新显示
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 说 明：每个灯珠要按G（绿）、R（红）、B（蓝）的顺序发送数据，且高位先发
*/
void WS2812B_Update(void)
{
while( (DMA_SPI_STA & 0x01) == 0 ); //等待SPI_DMA中断请求标志位置1（即等待传输完成）
DMA_SPI_STA &= ~0x01; //软件清零标志位
UpdateSPI(); //更新SPI缓存数组
DMA2SPI_Start(); //DMA开始传输数据
}
/**
* 函 数：WS2812B彩屏初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void WS2812B_Init(void)
{
DMA_SPI_STA |= 0x01; //SPI_DMA中断请求标志位置1，这一步不能少，没有的话则无法开始DMA传输
SPI_Init();
WS2812B_Clear();
WS2812B_Update();
}
/**
* 函 数：WS2812B设置一个灯珠的缓存
* 参 数：Number 灯珠的顺序号，范围：0~LED_Quantity-1
* 参 数：R（Red）红，范围：0~255
* 参 数：G（Green）绿，范围：0~255
* 参 数：B（Blue）蓝，范围：0~255
* 返 回 值：无
* 说 明：需要调用WS2812B_Update函数才能更新屏幕显示
*/
void WS2812B_SetBuffer(unsigned int Number,unsigned char R,unsigned char G,unsigned char B)
{
WS2812B_Buffer[Number][0]=G; //绿
WS2812B_Buffer[Number][1]=R; //红
WS2812B_Buffer[Number][2]=B; //蓝
}
总结
直接IO模拟WS2812B芯片的时序也行，不过这会增加CPU的负担，用SPI+DMA的方式驱动可以自动批量传输数据，解放CPU。
需要参照手册进行寄存器的配置，这一步是比较难的，没什么经验的话需要参考别人的代码，我就是参考了国芯论坛上梁工的代码。
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