如何利用一根信号线实现多种LED的灯光效果？

从某多平台花了15元钱买了一米长的WS2812B彩灯，用于我的Pico编程试验，这种灯的神奇之处在于只需一根信号线，能够控制串联在一起的30颗LED灯珠（好像能长达1024颗灯），实现各种彩灯效果。
接线非常简单，正极接5V(我的灯带只有1米长，用树莓派Pico供电并不吃力，如果比较长的灯带，需要额外电源)，一端接地，树莓派GP15接信号线Din。灯带里面的Do不用管它，它实际上是Dout的意思，信号经过Din处理后，点亮那个灯，吃掉一些字节，再经过Dout出来，从而可以串联更多的灯。

官方文档《Raspberry Pi Pico Python SDK》里有一节介绍PIO控制WS2812灯的代码，直接抄过来，修改一下灯的个数，引脚编号PIN_NUM，代码虽然不理解，但程序可以马上运行。


# Example using PIO to drive a set of WS2812 LEDs.


import array, time
from machine import Pin
import rp2


# Configure the number of WS2812 LEDs.
NUM_LEDS = 30
PIN_NUM = 15
brightness = 0.2


@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1)               .side(0)    [T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [T1 - 1]
    jmp("bitloop")          .side(1)    [T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop()                   .side(0)    [T2 - 1]
    wrap()




# Create the StateMachine with the ws2812 program, outputting on pin
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(PIN_NUM))


# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)


# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])


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def pixels_show():
    dimmer_ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
    for i,c in enumerate(ar):
        r = int(((c >> 8) & 0xFF) * brightness)
        g = int(((c >> 16) & 0xFF) * brightness)
        b = int((c & 0xFF) * brightness)
        dimmer_ar = (g<<16) + (r<<8) + b
    sm.put(dimmer_ar, 8)
    time.sleep_ms(10)


def pixels_set(i, color):
    ar = (color[1]<<16) + (color[0]<<8) + color[2]


def pixels_fill(color):
    for i in range(len(ar)):
        pixels_set(i, color)


def color_chase(color, wait):
    for i in range(NUM_LEDS):
        pixels_set(i, color)
        time.sleep(wait)
        pixels_show()
    time.sleep(0.2)

def wheel(pos):
    # Input a value 0 to 255 to get a color value.
    # The colours are a transition r - g - b - back to r.
    if pos < 0 or pos > 255:
        return (0, 0, 0)
    if pos < 85:
        return (255 - pos * 3, pos * 3, 0)
    if pos < 170:
        pos -= 85
        return (0, 255 - pos * 3, pos * 3)
    pos -= 170
    return (pos * 3, 0, 255 - pos * 3)


def rainbow_cycle(wait):
    for j in range(255):
        for i in range(NUM_LEDS):
            rc_index = (i * 256 // NUM_LEDS) + j
            pixels_set(i, wheel(rc_index & 255))
        pixels_show()
        time.sleep(wait)


BLACK = (0, 0, 0)
RED = (255, 0, 0)
YELLOW = (255, 150, 0)
GREEN = (0, 255, 0)
CYAN = (0, 255, 255)
BLUE = (0, 0, 255)
PURPLE = (180, 0, 255)
WHITE = (255, 255, 255)
COLORS = (BLACK, RED, YELLOW, GREEN, CYAN, BLUE, PURPLE, WHITE)


print("fills")
for color in COLORS:      
    pixels_fill(color)
    pixels_show()
    time.sleep(0.2)


print("chases")
for color in COLORS:      
    color_chase(color, 0.01)


print("rainbow")
rainbow_cycle(0)


网上还有一个更精简的版本，便于慢慢理解程序的主要逻辑。


import array
import utime
import machine
import rp2


NUM_LEDS = 30


@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1)               .side(0)    [T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [T1 - 1]
    jmp("bitloop")          .side(1)    [T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop()                   .side(0)    [T2 - 1]
    wrap()




# 建立状态机，设置输出针的编号
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=machine.Pin(15))


# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)


# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])




# Cycle colours.
for i in range(4 * NUM_LEDS):
    for j in range(NUM_LEDS):
        r = j * 100 // (NUM_LEDS - 1)
        b = 100 - j * 100 // (NUM_LEDS - 1)
        if j != i % NUM_LEDS:
            r >>= 3
            b >>= 3
        ar[j] = r << 16 | b
    sm.put(ar, 8)
    utime.sleep_ms(20)


# Fade out.
for _ in range(24):
    for j in range(NUM_LEDS):
        ar[j] >>= 1
    sm.put(ar, 8)
    utime.sleep_ms(50)




  树莓派Pico控制WS2812b彩色灯珠


这里用到了PIO（Programmable IO ）的概念，可以嵌入汇编语句，细节还有待后面进一步的学习。
还有一个状态机的概念，暂时也不太理解，没关系，先抄着慢慢学。
再来学习一下WS2812B的数据通讯协议，看用户手册，有这样一段话：

  数据协议采用单线归零码的通讯方式，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。

可以看出，每经过一个像素点，吃掉24个二进制位，信号就是这样从头传到尾的。
这24个二进制位就是颜色的RGB值，不对，是GRB值，与电脑上常见的红绿蓝顺序有点不一样，所以可以在源代码里看到这样的写法：
(g<<16) + (r<<8) + b 说明书中提到的主要特点：

• IC控制电路与LED点光源共用一个电源。
  
• 控制电路与RGB芯片集成在一个5050封装的元器件中，构成一个完整的外控像素点。
  
• 内置信号整形电路，任何一个像素点收到信号后经过波形整形再输出，保证线路波形畸变不会累加。
  
• 内置上电复位和掉电复位电路。
  
• 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。
  
• 端口扫描频率2KHz/s。
  
• 串行级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码。
  
• 任意两点传输距离在不超过5米时无需增加任何电路。
  
• 当刷新速率30帧/秒时，级联数不小于1024点。
  
• 数据发送速度可达800Kbps。
  
• 光的颜色高度一致，性价比高。