SPI+DMA驱动和控制WS2812彩色RGB灯
SPI+DMA驱动WS2812
比赛的能量机关用的是内置IC的LED灯珠，官方的灯条是SK6812灯珠，每米144个灯珠，但是真的贵（
于是用了华彩威的WS2812灯珠。其实更好的选择是用WS2813，使用6PIN角封装支持了断点续传，即一个灯珠坏了后面的灯珠还能继续工作，除非连续两个灯珠损坏。或是用WS2815灯珠，12V供电可以降低整个像素点的工作电流以及压降。另外WS2812、WS2813、WS2815以及SK6812的通信协议是相似的。这种内置IC的LED灯珠还有很多像是 SK6813、SK6822、SK6815、PLK6812、PLK6815B 等等。
很恶心的一点是，WS2812的逻辑0和1表达示方式这部分，网上好多图都是不对的，一定要以数据手册为准… 如果逻辑0和逻辑1的发送时序不对，那么整个灯条的颜色都是乱的甚至根本不会亮。
先放一段QA吧
Q1: 像这种一根信号线输出控制的逻辑电平一般都要求5V及以上，需要3.3V升5V吗
A1: STM32虽然只能输出3.3V，但是控WS2811是可以的。另外3.3V升到5V，三极管或是MOS管的信号上升时间相对而言太长了，跟不上控制信号的变化，导致几乎输不出信号
Q2: 直接用IO口翻转可以控制吗
A2: 不太行。用封装库函数翻转IO的执行速度，很难满足几百ns到1us级别的时间要求，虽然可以直接操作寄存器，但即使是对着示波器一点点测试NOP空指令的个数，也只是一种时序近似。随着灯条长度的加长和信号发送时间的推移，总会出现逻辑0和1的误识别的情况。并且中断也会打断时序模拟。
Q3: FreeRTOS 会影响控制的时序吗
A3: 配上稍高一些的任务优先级，使用SPI+DMA不会影响
Q4: 一条总线能控多少灯
A4: 测试一条SPI+DMA控了1920个灯珠也依旧能正常控制，更多的灯珠没设备了也就没测。只要时序对了理论上是能控制无限个的
控制方式
单总线，通过总线上高低电平时间长短的不同来区分逻辑0和1。
WS2811的通信速度为800Kbit/s，如果将SPI的频率设置为6.4MHz，正好是灯条IC芯片的8倍，那么每一个字节(8位)正好对应一个逻辑位，也就是11110000代表逻辑1，11000000代表逻辑0
数据传输时间TH+TL=1.25us±600ns，协议也有150ns的兼容性。比如SPI设置为5.25MBits/s(Mbps)（84MHz时钟线16分频），传输1Bit的时间为1*10^9ns / 5.25*10^6 = 190ns，一个字节需要1.52us也在传输时间范围内，所以可以通过SPI的MOSI输出信号线发送一个字节Byte(8bits)的数据模拟 WS2812的一个位。所以发送一个uint8字节 0xF0(11110000)，高电平时间为4x190=760ns在580ns-1us范围之间，代表逻辑1；0xC0(11000000)，高电平时间为380ns在220ns-380ns范围，代表逻辑0
CubeMX 配置
-
开启 SPI1，因为只用到了
MOSI输出信号线，所以模式选择Transmit Only Master仅发送主模式 就可以。- Data Size (通讯的数据帧大小是)设置为
8 Bits。理由是因为上面的控制方式 -
CPHA (时钟相位)设置为
2 Edge。MOSI(和MISO)数据线上的信号将会在SCK时钟线的偶数边沿采样。因为发送数据的末尾都是低电平，这样 WS2812 不会误判 -
CPOL (时钟极性)不用修改默认为
Low，即总线空闲时SCK的时钟状态为低电平 -
FirstBit 不用修改默认为
MSB先行，即高位数据在前 - CRC Calculation 不用修改默认为
Disable，即不启用CRC计算和发送
- Data Size (通讯的数据帧大小是)设置为
-
开启 DMA。
- Mode 设置为
Normal一次传输，不需要循环传输模式，由程序手动触发DMA发送即可。 - Direction (传输方向)设置为
Memory to Peirpheral存储器到外设 - Data Width (数据宽度)设置为
Byte字节(8位) - Priority (优先级)设置为
Very High。注意DMA优先级只有在多个DMA数据流同时使用时才有意义
- Mode 设置为
程序
#define LED_NUM 31 // LED灯珠个数
#define RESET_HEAD 280 // Rest复位码所需长度
// 模拟bit码: 0xC0为逻辑0, 0xF8为逻辑1
const uint8_t code[2] = {0xC0, 0xF8};
typedef struct {
uint8_t R;
uint8_t G;
uint8_t B;
} RGBTypeDef_t; //颜色结构体
RGBTypeDef_t RGB_Data[LED_NUM] = {0}; // 设置灯珠颜色
uint8_t RGB_BUFFER[LED_NUM * 24 + RESET_HEAD] = {0}; // 发送数据缓存
// 常见颜色定义
const RGBTypeDef_t WS2812_RED = {255, 0, 0};
const RGBTypeDef_t WS2812_GREEN = {0, 255, 0};
const RGBTypeDef_t WS2812_BLUE = {0, 0, 128};
/**
* @brief 设置指定灯珠要显示的颜色
* @param[in] ID 颜色
*/
void Set_LEDColor(uint16_t LedId, RGBColor_TypeDef Color)
{
RGB_Data[LedId].G = Color.G;
RGB_Data[LedId].R = Color.R;
RGB_Data[LedId].B = Color.B;
}
/**
* @brief 刷新全部WS2812灯珠颜色
* @param[in]
*/
void RGB_Reflash(void)
{
uint8_t dat_g = 0, dat_r = 0,dat_b = 0;
// 将数组颜色转化为24个要发送的字节数据
for (uint16_t i = 0; i < LED_NUM; i ++ ) {
// 存入颜色缓存
dat_g = RGB_Data[i].G;
dat_r = RGB_Data[i].R;
dat_b = RGB_Data[i].B;
// 转换为0/1码的通信协议
for (uint8_t j = 0; j < 8; j ++ ) {
RGB_BUFFER[RESET_HEAD + i * 24 + 7 - j] = code[dat_g & 0x01];
RGB_BUFFER[RESET_HEAD + i * 24 + 15 - j] = code[dat_r & 0x01];
RGB_BUFFER[RESET_HEAD + i * 24 + 23 - j] = code[dat_b & 0x01];
dat_g >>= 1;
dat_r >>= 1;
dat_b >>= 1;
}
}
// 等待上次DMA传输完成
while (HAL_DMA_GetState(&hdma_spi1_tx) != HAL_DMA_STATE_READY);
// SPI+DMA发送所有数据
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, RGB_BUFFER, LED_NUM * 24 + RESET_HEAD);
}
/**
* @brief 配置WS2812全部显示为蓝色
*/
void WS2812_Show_BLUE(void)
{
for (uint16_t i = 0; i < LED_NUM; i ++ ) {
Set_LEDColor(i, WS2812_BLUE);
}
RGB_Reflash();
}
如果灯珠数量很多，可以选择SPI+DMA一次只发送1个灯珠所需的24字节数据，通过多次发送完成控制。
static void SPI_Send_WS2812(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *SPI_RGB_BUFFER)
{
while (HAL_DMA_GetState(&hdma_spi1_tx) != HAL_DMA_STATE_READY);
HAL_SPI_Transmit_DMA(hspi, SPI_RGB_BUFFER, 24);
}
void RGB_Reflash(void)
{
uint8_t RGB_BUFFER[24] = {0};
// 发送Rest复位码
for (uint16_t i = 0; i < RESET_HEAD; i ++ ) {
SPI_Send_WS2812(&hspi1, SPI_RGB_BUFFER);
}
// 发送颜色数据
for (uint16_t i = 0; i < LED_NUM; i ++ ) {
......
for (uint8_t j = 0; j < 8; j ++ ) {
......
}
SPI_Send_WS2812(&hspi1, SPI_RGB_BUFFER);
}
}