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1，WS2812B和WS2811F簡介 RGBLED驅動芯片有兩個常用的選擇：WS2812B和WS2811F，它們都采用單線歸零碼的通訊方式，數據發送速度可達800Kbps。 芯片在上電復位以后，DIN端接受從控制器傳輸過來的數據，首先送過來的24bit數據被第一個芯片提取后，送到芯片內部的數據鎖存器，剩余的數據經過內部整形處理電路整形放大后通過DO端口開始轉發輸出給下一個級聯的芯片，每經過一個芯片的傳輸，信號減少24bit。芯片采用自動整形轉發技術，使得該芯片的級聯個數不受信號傳送的限制，僅僅受限信號傳輸速度要求。 當各個芯片都收到24bit的數據后，我們再發送一個大于280us的低電平復位信號，所有的芯片再同步發送對應的R、G、B信號，來控制RGBLED燈的紅色、綠色和藍色三種發光二極。我們就可以看見RGBLED燈亮不同的顏色了。 特別說明：WS2812B和WS2811F通訊和級聯方式等，都基本一樣，只是24位數據結構有先后區別。
圖1 WS2812B或WS2811F級聯示意圖
圖2 WS2812B或WS2811F數據傳輸方法
24位的數據結構(WS2812B)：按GRB順序，高位在前
圖3 24位的數據結構(WS2812B)
24位的數據結構(WS2811F)：按RGB順序，高位在前
圖4 24位的數據結構(WS2811F) 對我們的驅動來說，圖3和圖4是WS2812B和WS2811F的唯一區別，其他部分的代碼編寫是一模一樣的。
WS2812B和WS2811F邏輯0、邏輯1和復位信號的時序如下：
圖5 WS2812B和WS2811F邏輯0、邏輯1和復位信號的時序圖
表1 WS2812B和WS2811F數據傳輸時間表 實際使用中，PWM的占空比為三分之一代表邏輯0，PWM的占空比為三分之二代表邏輯1，這個時間大致即可。 文章開頭說了，數據發送速度可達800Kbps，即每一個數據位傳輸時間就是：1 / 800000s = 1.25us。每個RGB燈數據有24位，所以每一個RGB數據傳輸時間就是：1.25 * 24us = 30us。 假設用1000顆RGB燈組成一個矩陣屏，那么給屏幕刷一幀數據的時間為：1000*30+280us = 30280us，即矩陣屏的幀率為33幀每秒。這個幀率看個視頻是夠了，打游戲可能差點意思，哈哈哈。 特別注意：級聯的燈珠太多，要考慮供電問題。一個LED電流大概是10~20mA，一個RGB燈有三個LED，即30~60mA。 2， 實驗硬件簡介2.1，RGB燈方案 WS2811F方案的RGB燈，我們使用的是正點原子的BEE BLOCK系列的RGBLED模塊。該模塊設計非常美觀，燈珠夠大，顯示效果很好，預留了燈珠級聯接口。 WS2812B方案的RGB燈，我自己畫了一塊由20顆RGB燈級聯的燈板。注意WS2812B芯片是集成到RGB燈內部了。
圖6 BEE BLOCK系列RGBLED模塊(左) 和 20顆RGB燈的燈板(右)
2.2，主控方案 主控制器使用STM32F103C8T6，這里直接使用正點原子的STM32入門套件BEE BLOCK系列，價格雖然貴一些，但是外觀和品質是真的很好。
圖7 正點原子的STM32入門套件BEE BLOCK系列
2.3，儀表工具 儀表工具使用正點原子的DL16邏輯分析儀，方便觀察WS2812B和WS2811F的時序。
圖8 正點原子的DL16邏輯分析儀
3，實驗代碼3.1，WS2812B驅動代碼 ws2812b.c代碼如下： TIM_HandleTypeDef g_tim2_handle = {0}; /* 定時器x句柄 */ DMA_HandleTypeDef g_dma_handle = {0}; /* DMA句柄 */
/* 用于存放10個RGBLED燈的顏色值 */ uint32_t g_rgb888_color[10] = { GRB888_RED, /* 紅色 */ GRB888_GREEN, /* 綠色 */ GRB888_BLUE, /* 藍色 */ GRB888_VIOLET, /* 紫羅蘭 */ GRB888_YELLOW, /* 黃色 */ GRB888_IRED, /* 淺紅色 */ GRB888_ORANGE, /* 橙色 */ GRB888_PURPLE, /* 紫色 */ GRB888_PING, /* 粉色 */ GRB888_CYAN, /* 青色 */ };
uint16_t g_pixel_buf[LED_NUM][DATA_SIZE]; /* 用于存放RGBLED燈數據對應的比較值 */
/** * @brief 發送數據給ws2812b * @param 無 * @retval 無 */ void ws2812b_dats_send(void) { /* 使用DMA將數據發送到定時器的CCRx */ HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&g_tim2_handle, TIM_CHANNEL_3, (uint32_t *)g_pixel_buf, sizeof(g_pixel_buf)); }
/** * @brief 復位ws2812b * @note 保持低電平280us以上即可 * @param 無 * @retval 無 */ void ws2812b_reset(void) { /* CCRX設置為0，直接輸出低電平 */ __HAL_TIM_SetCompare(&g_tim2_handle, TIM_CHANNEL_3, 0); delay_us(280); }
/** * @brief 將GRB888的顏色值轉換成邏輯1和邏輯0對應的CCRx值并存放到 * g_pixel_buf里,并發送給CCRx，生成PWM * @note 可指定第幾個燈 * @param led_num ： 需控制燈的數量 * @param color ： GRB888顏色值指針 * @retval 無 */ void ws2812b_display(uint8_t led_num, uint32_t *color_buf) { uint8_t i, j; if(led_num > LED_NUM)return; /* 防止寫入LED數量大于LED總數 */
/* 這里是對 g_pixel_buf[j]寫入一個周期內高電平的持續時間 （是要存放在比較值寄存器CCR的值）*/ for(i = 0; i < led_num; i++) { for(j = 0; j < DATA_SIZE; j++) { g_pixel_buf[j] = (((color_buf << j) & 0x800000) ? HIGH_LEVEL : LOW_LEVEL); } }
ws2812b_dats_send(); /* 將g_pixel_buf發送到定時器的CCRx中，生成相應波形 */ }
/** * @brief ws2812b不顯示顏色，復位狀態 * @param 無 * @retval 無 */ void ws2812b_show_black(void) { uint32_t rgb_buf[LED_NUM]; for(int j = 0; j < LED_NUM; j++) { rgb_buf[j] = GRB888_BLACK; } ws2812b_display(LED_NUM, rgb_buf); /* RGBLED燈光顯示 */ }
/** * @brief 初始化ws2812b相關IO口,以及配置定時器和DMA功能 并使能時鐘 * @param 無 * @retval 無 */ void ws2812b_init(void) { TIM_OC_InitTypeDeftimx_oc_pwm_chy = {0}; /* 定時器輸出句柄 */ GPIO_InitTypeDefgpio_init_struct = {0};
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); /* DMA1時鐘使能 */ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 開啟通道y的GPIO時鐘 */ __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); /* 使能定時器時鐘 */
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_2; /* 通道的GPIO口 */ gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 復用推挽輸出 */ gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 無上下拉 */ gpio_init_struct.Speed =GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */ HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
g_tim2_handle.Instance = TIM2; /* 定時器x */ g_tim2_handle.Init.Prescaler = (1 - 1); /* 定時器分頻 */ g_tim2_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 遞增計數模式 */ g_tim2_handle.Init.Period = (90 - 1); /* 自動重裝載值 */ g_tim2_handle.Init.ClockDivision =TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; g_tim2_handle.Init.AutoReloadPreload =TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_PWM_Init(&g_tim2_handle); /* 初始化PWM */
timx_oc_pwm_chy.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; /* 模式選擇PWM1 */ timx_oc_pwm_chy.Pulse = 0; /* 設置比較值,此值用來確定占空比 */ timx_oc_pwm_chy.OCPolarity =TIM_OCPOLARITY_HIGH; /* 輸出比較極性為高 */ timx_oc_pwm_chy.OCIdleState =TIM_OCIDLESTATE_RESET;/* 空閑時輸出低電平 */ HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_tim2_handle, &timx_oc_pwm_chy,TIM_CHANNEL_3); /* 使能CCRX的影子寄存器，當修改CCRX的值時，等產生更新事件在生效 */ __HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD(&g_tim2_handle, TIM_CHANNEL_3);
g_dma_handle.Instance = DMA1_Channel1; /* DMA1通道1 */ g_dma_handle.Init.Direction =DMA_MEMORY_TO_PERIPH; /* 從內存到外設模式 */ g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; /* 外設非增量模式 */ g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; /* 存儲器增量模式 */ g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment= DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;/* 16位 */ g_dma_handle.Init.MemDataAlignment =DMA_MDATAALIGN_BYTE; /* 16位 */ g_dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL; /* 普通模式 */ g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; /* 高優先級 */ HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
/* 將DMA與timer聯系起來 */ __HAL_LINKDMA(&g_tim2_handle, hdma[TIM_DMA_ID_CC3], g_dma_handle);
HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn, 1, 1); HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);
ws2812b_show_black(); }
/** * @brief DMA1通道1中斷服務函數 * @param 無 * @retval 無 */ void DMA1_Channel1_IRQHandler(void) { if(__HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, __HAL_DMA_GET_TC_FLAG_INDEX(&g_dma_handle)) != RESET) { __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&g_dma_handle, __HAL_DMA_GET_TC_FLAG_INDEX(&g_dma_handle));
ws2812b_reset(); /* 傳輸完成后手動停止PWM */ HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(&g_tim2_handle, TIM_CHANNEL_3); } } ws2812b.h代碼如下： /**************************************************************************/ /* RGBLED的數據高低電平邏輯定義 */ #define HIGH_LEVEL (uint16_t)60 /* CCR3為占空比為三分之二代表邏輯1 */ #define LOW_LEVEL (uint16_t)30 /* CCR3為占空比為三分之一代表邏輯0 */
#define LED_NUM 20 /* 燈珠的個數 */ #define DATA_SIZE 24 /* 一個RGB數據的位數，3*8 */ /**************************************************************************/ /* RGB888顏色值 */ #define GRB888_RED 0x00FF00 /* 紅色 */ #define GRB888_GREEN 0xFF0000 /* 綠色 */ #define GRB888_BLUE 0x0000FF /* 藍色 */ #define GRB888_BLACK 0x000000 /* 黑色 */ #define GRB888_WHITE 0xFFFFFF /* 白色 */ #define GRB888_YELLOW 0xFFFF00 /* 黃色 */ #define GRB888_IRED 0x5CCD5C /* 淺紅色 */ #define GRB888_ORANGE 0xA5FF00 /* 橙色 */ #define GRB888_PURPLE 0x008080 /* 紫色 */ #define GRB888_PING 0xB6FFC1 /* 淺粉色 */ #define GRB888_CYAN 0xFF00FF /* 青色 */ #define GRB888_PBLUE 0x80008C /* 孔雀藍 */ #define GRB888_VIOLET 0x008BFF /* 紫羅蘭 */ /**************************************************************************/
extern TIM_HandleTypeDefg_tim2_handle; /* 定時器x句柄 */ extern uint32_t g_rgb888_color[10];
/* 函數聲明 */ void ws2812b_init(void); /* 初始化W2812B */ void ws2812b_reset(void); /* 復位W2812B */ /* 寫入多個顏色值到W2812B（控制多個燈） */ void ws2812b_display(uint8_t led_num, uint32_t *color); uint32_t color_change_brigh(uint32_t rgb, float k); /* 改變顏色的亮度值 */ void ws2812b_show_black(void); /* 不顯示顏色，關燈 */ 3.2，WS2811F驅動代碼 WS2811F的代碼和ws2812b幾乎一樣，只有RGB數據結構順序上有區別。下面把有差異的代碼貼出來。 WS2811F.c有差異部分代碼如下： /* 用于存放10個RGBLED燈的顏色值 */ uint32_t g_rgb888_color[10] = { RGB888_RED, /* 紅色 */ RGB888_GREEN, /* 綠色 */ RGB888_BLUE, /* 藍色 */ RGB888_VIOLET, /* 紫羅蘭 */ RGB888_YELLOW, /* 黃色 */ RGB888_VRED, /* 朱紅色 */ RGB888_ORANGE, /* 橙色 */ RGB888_PURPLE, /* 紫色 */ RGB888_PGREEN, /* 孔雀綠 */ RGB888_CYAN, /* 青色 */ }; WS2811F.h有差異部分代碼如下： /**************************************************************************/ /* RGB888顏色值 */ #define RGB888_RED 0xFF0000 /* 紅色 */ #define RGB888_GREEN 0x00FF00 /* 綠色 */ #define RGB888_BLUE 0x0000FF /* 藍色 */ #define RGB888_BLACK 0x000000 /* 黑色 */ #define RGB888_WHITE 0xFFFFFF /* 白色 */ #define RGB888_YELLOW 0xFFFF00 /* 黃色 */ #define RGB888_VRED 0xFF4D00 /* 朱紅色 */ #define RGB888_ORANGE 0xFFA500 /* 橙色 */ #define RGB888_PURPLE 0x800080 /* 紫色 */ #define RGB888_PING 0xFFC0CB /* 粉色 */ #define RGB888_CYAN 0x00FFFF /* 青色 */ #define RGB888_PGREEN 0x00A15C /* 孔雀綠 */ #define RGB888_VIOLET 0x8B00FF /* 紫羅蘭 */ /**************************************************************************/ 3.3，main.c代碼 int main(void) { uint8_t i = 0, j = 0; uint32_t rgb_buf[LED_NUM]; /* 各燈珠RGB顏色緩沖區 */
HAL_Init(); /* 初始化HAL庫 */ sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 設置時鐘, 72Mhz */ delay_init(72); /* 延時初始化 */ usart_init(115200); /* 串口初始化為115200 */ ws2812b_init(); /* 初始化RGBLED */
while (1) { /* 多個燈珠亮相同顏色，10種顏色 */ for(i = 0; i < 10; i++) { for(j = 0; j < LED_NUM; j++) { rgb_buf[j] = g_rgb888_color; }
ws2812b_display(LED_NUM, rgb_buf); /* RGBLED燈光顯示 */ delay_ms(500); } } } 在本實驗中，我們根據連接的燈珠數量設置好LED_NUM宏定義。 mian函數中，實現多個燈珠亮相同顏色，共10種顏色。 詳細的代碼可以下載正點原子BEE BLOCK系列RGBLED模塊的資料查看。網址如下：openedv/docs/boards/stm32/beeblock.html 4，實驗現象1，WS2812B實驗現象
圖9 WS2812B實驗現象
2，WS2811F實驗現象
圖10 WS2811F實驗現象
3，用DL16邏輯分析儀觀察PWM WS2812B數據結構是GRB888，所以紅色數據是0x00FF00。
圖11 WS2812B時序
WS2811F數據結構是RGB888，所以紅色數據是0xFF0000。
圖12 WS2811F時序 PWM詳細參數如下圖：
圖13 PWM時序信息 PWM周期為1.25us，邏輯1高電平時間為850ns，低電平時間為400ns。所以可以知道邏輯0高電平時間為400ns，低電平時間為850ns。
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