1、ws2812b是一款集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源,采用单线归0码协议,每个像素点的三基色颜色可实现256级亮度显示。速率能达到1024pixel × 30fps / s,故被广泛用于各种需要大量使用RGB灯的场合。
2、不同厂商生产的ws2812存在不同的时序要求,下图是一款最常见的ws2812b通信协议。由此可以看出,我们一个0码或1码的周期在800ns~1400ns左右。
3、如果使用GPIO直接控制该总线,不但时序不好保证(编译器优化不同、不同库的汇编编译结果不同),而且十分占用CPU资源。
4、如果采用外设去模拟IO口的翻转,则可以极大的减少CPU的资源占用。目前常见的通用外设控制方案为IIC、SPI、PWM等。
考虑IIC可能使用得较多,故采用相对较少使用得SPI总线模拟该归0协议。若使用IIC模拟的思路相同。
5、SPI
的详情简介不必赘述。假设我们通过SPI
发送0xAA
,我们的数据线就会变为10101010
,
通过修改不同的内容,即可修改SPI
中0
和1
的持续时间。比如0xF0
即为前半周期为高电平,后半周期为低电平的状态。
由于需要控制某个电平持续一定时间,那么数据采样需要在时钟周期的结束,而不是开始,即CPHA = 1
。
3.设计思路
由于控制高低电平占比(ws2812 bit)的时间需要多个SPI bit,故SPI发送的长度肯定大于通信的内容,即用多个SPI bit去模拟一个ws2812 bit。常见的SPI传输是8bit,但也可配置为12、16等比特。但为了DMA搬运数据时方便对齐,故配置为8bit。
在SPI 8bit的数据长度下,我们采用2,4,8,12,16的SPI bit去模拟一个ws2812 bit。比如可以得出一下组合(实际上的ws2812时序并没有数据手册上那么严格,且不同厂家的配置不同):
用4个SPI bit去模拟,则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1000;bit1可表示为1110。且一个SPI bit在250~420ns均可。
用8个SPI bit去模拟,则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1100 0000;bit1可表示为1111 1100。且一个SPI bit在120~210ns均可。
当然不同比例的SPI bit可以调整出不同的SPI时间,具体根据SPI的配置时间。8个SPI bit能将时间调整得更精细,而4个SPI bit更省RAM。具体怎么配置还要和SPI的速度匹配。故我采用4个SPI bit模式。那么SPI的通信速率为2.4Mbps~4Mbps。
4.实现
用4个SPI bit
去模拟,则用SPI bit
表示ws2812 bit0
为:1000
;bit1
可表示为1110
。即LOW=0x08 HIGH=0x0E
。
首先将SPI
调整发送模式
、数据长度
、大小端
、分频系数
、CPHA
:
#define WSLEDNUM 8 // 定义灯的数量 uint8_t wsFillMap[4] = {0x88, 0x8E, 0xE8, 0xEE}; // 这是一个哈希表 00=0x88 01=0x8E 10=0xE8 11=0xEE uint8_t ws2812Buffer[WSLEDNUM*12+2] = {0}; // 数组缓冲区 void setOnePixRGB(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t index) { uint8_t i; uint8_t *bufHead = ws2812Buffer + (12 * index); // 通过bufHead确定该像素的首地址,减少后面计算 for (i = 0; i < 4; ++i) // 每次位移两位,通过哈希表来填充缓存区(当然你可以写一个4位的哈希表,就不用位移了)。并同时为GRB赋值,减少循环次数。 { bufHead[0+i] = wsFillMap[(G >> (6 - 2 * i)) & 0x03]; bufHead[4+i] = wsFillMap[(R >> (6- 2 * i)) & 0x03]; bufHead[8+i] = wsFillMap[(B >> (6 - 2 * i)) & 0x03]; } } void flushWs2812(void) // 刷新函数,多发两个低电平稳定电平(心里安慰,其实没用) { HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, ws2812Buffer, WSLEDNUM*12+2); }
这段代码实现了刷新一个灯的缓冲区,并通过哈希表减少运算量。最后通过DMA发送缓冲区数据即更新所有灯的状态。
注意,同时因为下拉的存在,所以不需要发送很多的0来发送RESET,但必须需保证两帧间隔大于文档中的RESET码时间。
5.总结与展望
实际上,这次买的ws2812b系列的灯,并不是该厂家的。通过调整系统主频发现可以稳定“超频”到5Mbps的SPI速率,由于STM32G431CBU6可以达到150M甚至170M,所以最终固定为:150MHz的主频,4.6875Mbps的SPI。
在150M的主频下,执行setOnePixRGB()这个函数1000次仅用时800us,故在不考虑DMA效率下,连续设置250个灯的时间也小于RESET200us的时间,可以放心用,不用考虑双Buffer,更省RAM。
最后,这段代码仅提供思路,哈希表可以更加优化,对长灯带的缓存区数据填充有更合适的方法。
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