STM32+WS2812B（SPI/PWM+DMA）
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>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 30uint8_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 0XF8uint8_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1SPI_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7SPI_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>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 0XF8uint8_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1SPI_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7SPI_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AddrADMA_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_ValueDMA_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> 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 0uint16_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1TIM_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AddrADMA_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> 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
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
