STC15F104W單片機驅動WS2812程序

ID:1015912 · 發表于 2022-5-15 19:49

1，WS2812時序
WS2812是一個集控制電路與發光電路于一體的智能外控LED光源，每個ws2812均含有4個引腳，引腳功能如下圖：

WS2812可采用級聯的方式，將上一個WS2812的DOUT引腳連接到下一個WS2812的DIN引腳，即可實現一個引腳控制多個WS2812。一般自己設計電路時還要在電源輸入處添加一個0.1uF的小電容進行濾波。注意，雖然理論上可以連接足夠多的ws2812，但是使用時要注意驅動電壓和驅動電流是否足夠驅動這些彩燈。

由于只有一個引腳控制ws2812，所以我們只能通過控制引腳輸出高、低電平的時間，來讓WS2812知道我們想讓他顯示哪一個燈，顯示什么顏色。
想要讓1個ws2812顯示我們想要的顏色，我們需要給它發送顏色數據。每一個ws2812的顏色數據都是24位：8位綠色+8位紅色+8位藍色。

如果我們想控制1個ws2812，我們發送24位顏色數據；如果我們想控制2個ws2812，我們需要連續發送48位顏色數據；如果我們想控制n個ws2812，我們需要連續發送n*24位顏色數據。

那么ws2812如何知道我們發送的每一個位的數據是“1”還是“0”呢？
WS2812手冊中對于數據有明確的時間定義：

可以看出，當我們想要發送一個位的數據時，如果這個位是“1”，我們就控制單片機的引腳輸出高電平0.85us，然后控制引腳輸出低電平0.40us；如果這個位是“0”，則控制引腳輸出高電平0.40us，然后控制引腳輸出低電平0.85us。

而如果我們想控制1個燈顯示顏色，我們需要發送24個位的顏色數據給ws2812。如果我們想控制n個燈顯示顏色，我們從第1個燈的顏色數據開始發送，直至發送完n*24個數據。最后我們需要控制單片機引腳輸出低電平超過50us，讓彩燈顯示顏色。

2，寫出驅動程序
注意，STC15F104W只有8個引腳，我們一般采用內部晶振電路。下面的代碼都是基于12MHz的晶振頻率寫的。WS2812對于單片機的引腳時序要求比較高。我們一般調用intrins.h這個頭文件的機器周期函數，nop()函數執行一次占用一個機器周期（此處時鐘周期和機器周期相等），所以每條機器周期時間為1/12MHz=83.3us。（代碼中很多處使用宏定義，宏定義在預編譯階段程序就完成代碼替代工作，不會影響程序的執行時間，且修改方便）
下面是h文件代碼：

#ifndef __WS2812_H
#define __WS2812_H

//頭文件區
#include <STC15F2K60S2.H>
#include <intrins.h>

//用戶修改參數區
//#define WS2812_FREQUENCY
#define RGB_PIN          P33                      //控制彩燈引腳（需要配置為強推挽輸出）
#define WS2812_MAX       25                      //彩燈最大個數
#define WS2812_NUMBERS 8                      //彩燈個數

#define RED             0xff0000                //紅色
#define GREEN          0x00ff00                //綠色
#define BLUE             0x0000ff                //藍色
#define BLACK          0x000000                //熄滅
#define WHITE          0xffffff                //白色

#define RGB_PIN_H()  RGB_PIN = 1
#define RGB_PIN_L()  RGB_PIN = 0
#define delay1NOP()  _nop_();
#define delay1NOP()  _nop_();
#define delay2NOP()  delay1NOP(); _nop_();
#define delay3NOP()  delay2NOP();_nop_();
#define delay5NOP()  delay3NOP();delay2NOP();
#define delay7NOP()  delay5NOP();delay2NOP();

void Ws2812b_WriteByte(unsigned char byte);//發送一個字節數據（@12.000MHz,理論每個機器周期83ns,測試約為76ns）
void setLedCount(unsigned char count);//設置彩燈數目，范圍0-25.
unsigned char getLedCount();//彩燈數目查詢函數
void rgb_SetColor(unsigned char LedId, unsigned long color);//設置彩燈顏色
void rgb_SetRGB(unsigned char LedId, unsigned long red, unsigned long green, unsigned long blue);//設置彩燈顏色
void rgb_SendArray();//發送彩燈數據
#endif

接著我們對c代碼進行詳解。
首先調用h文件，然后定義一個數組，用來存放彩燈的顏色數據。這里數據存放在data空間（空間有限，只能存放25個燈左右的數據），后面有需要再優化到xdata空間。ledsCount 記錄實際我們想要控制的彩燈的數目，nbLedsBytes 用來記錄彩燈的數據個數（一個燈需要3個字節）。

#include "ws2812.h"

unsigned char LedsArray[WS2812_MAX * 3];    //定義顏色數據存儲數組
unsigned int ledsCount = WS2812_NUMBERS;    //定義實際彩燈默認個數
unsigned int nbLedsBytes = WS2812_NUMBERS*3;  //定義實際彩燈顏色數據個數

接著我們開始編寫彩燈的設置數目函數，查詢數目函數，以及兩個設置指定彩燈顏色的函數。

//設置彩燈數目，范圍0-25.
void setLedCount(unsigned char count)
{
ledsCount = WS2812_MAX > count ? count : WS2812_MAX;
nbLedsBytes = ledsCount*3;
}

//彩燈數目查詢函數
unsigned char getLedCount()
{
return ledsCount;
}

//設置彩燈顏色(在這里我將綠和紅色進行顛倒，這樣比較符合我們日常生活的紅綠藍的順序)
void rgb_SetColor(unsigned char LedId, unsigned long color)
{
if( LedId > ledsCount )
{
      return; //to avoid overflow
}
LedsArray[LedId * 3]    = (color>>8)&0xff;
LedsArray[LedId * 3 + 1] = (color>>16)&0xff;
LedsArray[LedId * 3 + 2] = (color>>0)&0xff;
}

//設置彩燈顏色
void rgb_SetRGB(unsigned char LedId, unsigned long red, unsigned long green, unsigned long blue)
{
unsigned long Color=red<<16|green<<8|blue;
rgb_SetColor(LedId,Color);
}

然后我們對彩燈數據通過引腳發送出去。注意，發送彩燈數據的過程中，請將中斷關閉，否則有可能會導致數據發送到一半被中斷打斷，導致顯示異常。Ws2812b_WriteByte()函數是這個驅動代碼的核心。

//發送彩燈數據
void rgb_SendArray()
{
unsigned int i;
bit a=EA;
//發送數據
EA=0;
for(i=0; i<nbLedsBytes; i++)
      Ws2812b_WriteByte(LedsArray[ i]);
EA=a;
}

下面的Ws2812b_WriteByte函數是我基于stc15f104w調試的。我寫過不同單片機的驅動。不同單片機的每條指令花費的時間都不一樣。如果您想要采用其他系列的單片機，我們只需要修改Ws2812b_WriteByte()函數里面的內容即可。其他的函數可以不做修改。方便代碼的移植。
主要修改的地方是高電平總的拉高時間。這里之所以不對“1”和“0”的內容進行函數封裝，是為了我自己調試的方便。如果您覺得代碼不夠簡短好看，您可以將判斷條件里面的內容用宏定義進行一下封裝。

/*
//使用12.000MHz頻率,理論每個機器周期83ns,實際測試約為76ns。
//下面都是基于76ns納秒一個機器周期計算的。
//測試時發現可以支持12-20Mhz頻率。
//如果想要使用11.0592Mhz頻率，在h文件取消“#define WS2812_FREQUENCY”的注釋
//在實際測試中發現，ws2812對高電平時間較為敏感，對低電平時間不敏感
//也就是說，低電平時間可以稍微長一些也不會影響程序，但是高電平時間需要控制的比較準確才行。
*/
void Ws2812b_WriteByte(unsigned char byte)
{
#ifndef WS2812_FREQUENCY
if(byte & 0x80)
{
      RGB_PIN_H();//4個機器周期（STC15F104W的拉高拉低都需要4個機器周期，其他系列暫時不知道，但是很大可能不是4個機器周期）
      delay7NOP();//7個機器周期
      RGB_PIN_L();//4+8（跳出這個if判斷需要5個機器周期，再進入下一個if判斷需要3個機器周期）
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5（跳出這個else需要3個機器周期，進入下一個else則需要2個機器周期）
}
if(byte & 0x40)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x20)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x10)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x8)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x4)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x2)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
if(byte & 0x1)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay7NOP();//4+7
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay2NOP();//4+2
      RGB_PIN_L();
      delay3NOP();//4+3+5
}
#else
if(byte & 0x80)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x40)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x20)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x10)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x8)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x4)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x2)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
if(byte & 0x1)
{
      RGB_PIN_H();//
      delay5NOP();//4+5
      RGB_PIN_L();//4+8
}
else
{
      RGB_PIN_H();
      delay1NOP();//4+1
      RGB_PIN_L();
      delay2NOP();//4+2+5
}
#endif
}

main文件里面，我是用stc生成了一個300ms的延時函數。讓程序每隔300ms更換一下顏色并輸出。紅綠藍三色交替閃爍。

#include <STC15F2K60S2.H>
#include "ws2812.h"
void Delay300ms();//@12.000MHz
void main()
{
int i=0;
setLedCount(12);//可以設置0-25之間的任何數目，根據實際情況而定
rgb_SetRGB(0,0,0,0);//設置第一個燈關閉（這里作為使用示例，下面的rgb_SetColor覆蓋了這個函數的作用）
while(1)
{
      for(i=0; i<getLedCount(); i++)//設置所有的燈為紅色
      {
         rgb_SetColor(i,RED);
      }
      rgb_SendArray();//發送給ws2812，顯示顏色
      Delay300ms();
      for(i=0; i<getLedCount(); i++)//設置所有的燈為綠色
      {
         rgb_SetColor(i,GREEN);
      }
      rgb_SendArray();//發送給ws2812，顯示顏色
      Delay300ms();
      for(i=0; i<getLedCount(); i++)//設置所有的燈為藍色
      {
         rgb_SetColor(i,BLUE);
      }
      rgb_SendArray();//發送給ws2812，顯示顏色
      Delay300ms();
}
}
void Delay300ms()//@12.000MHz
{
unsigned char i, j, k;
_nop_();
_nop_();
i = 14;
j = 174;
k = 224;
do
{
      do
      {
         while (--k);
      } while (--j);
} while (--i);
}

3，軟件調試
確保您的芯片型號選擇正確。

填寫軟件調試的晶振頻率，我這里使用16MHz(只是用來軟件計算機器周期，和實際晶振無關)。1/16MHz=62.5ns。如果采用12MHz，我計算機器周期不太方便。

點擊調試。沒有配置時默認是軟件調試模式。
點擊引腳信號的邏輯分析。

在新彈出的窗口中點擊Setup。然后輸入您的控制引腳。

使用調試控件，一邊觀察波形圖。

在程序執行RGB_PIN_H();這一句之前，我用紅色的線定位了此時的時間位置，執行這一句后，我用藍色的線查看它們之間的差值，差值為0.25us。這里我的軟件仿真使用的是16MHz晶振，每個機器周期為62.5ns。0.25us相當于4個機器周期。正如我上面的發送函數里面的機器周期備注一樣。同理可以計算出每行代碼需要花費的機器周期時間，從而準確寫出驅動。

比如，我們需要0.85us的高電平時間，也就是850ns，然后實際上我們使用的晶振是12MHz。每個機器周期的時間是理論是1/12Mhz=83.3ns。那么我們就需要850/83.3=10.2個機器周期。這里取11個機器周期。根據前面我們知道電平拉高需要用去4個機器周期，因此我們還需要讓高電平維持7個機器周期的時間，然后將電平拉低。以此原理，寫出我們的Ws2812b_WriteByte()函數的驅動。

4，硬件調試
實際硬件調試時，我寫了一個測試程序。我用軟件調試時，波形為引腳電平拉高10個機器周期，然后拉低10個機器周期。循環動作。

while(1)
{
      P33=1;//4
      delay6NOP();//6
      P33=0;//4
      delay2NOP();//2+4
}
但是實際用示波器測試時，發現高電平時間和低電平時間均為3.8格*200ns/格=760ns。所以實際上每個機器周期的時間我這里是76ns左右。距離理論值83.3ns相差不多，而且ws2812每個高電平信號都可以有150ns左右的誤差，因此這里按照理論計算和按照實際計算均可。我按理論值計算。
————————————————
版權聲明：本文為CSDN博主「DIY愛好玩家」的原創文章，遵循CC 4.0 BY-SA版權協議，轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_38476200/article/details/115519393

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