如何利用SPI+DMA的驱动方式来驱动WS2812？

ws2812简介

1、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。
2、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， 扫描频率不低于400Hz/s。
3、串行级联接口， 能通过一根信号线完成数据的接收与解码。
4、任意两点传传输距离在不超过5米时无需增加任何电路。
5、当刷新速率30帧/秒时， 低速模式级联数不小于512点， 高速模式不小于1024点。
6、数据发送速度可达800Kbps。
7、光的颜色高度一致， 性价比高。
ws2812这款灯珠使用起来真的很方便，可以变换很多种颜色。但是，区分度较为明显的颜色不是很多，很多的颜色通过灯珠表现出来后辨识度不高。一般只能用红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫、白和洋红这几种辨识度比较高的颜色。
LED的参数特性如下：

ws2812驱动原理

ws2812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，仅仅受限信号传输速度要求。
所谓的单线归零码，也称为单极性归零码，是指高电平和零电平分别表示二进制码1 和0，在无电压表示“0”，恒定正电压表示“1”，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲。每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。
单极性归零码的主要优点是可以直接提取同步信号，因此单极性归零码常常用作其他码型提取同步信号时的过渡码型.也就是说其他适合信道传输但不能直接提取同步信号的码型，可先变换为单极性归零码，然后再提取同步信号。
它的具体体现如下图所示：

看了上面关于单线归零码的介绍，再来看ws2812的驱动原理，就能一眼看懂了，ws2812主要就是靠发送0码和1码来控制颜色。
ws2812的控制原理为通过一定的时序，发送高低电平，其时序波形要求如下：

ws2812的码型时序要求：

而这个led的驱动难点也在发送归零码上面，因为它有一个时序的要求，必须要满足它本身的时序才行。看了上面图形的介绍，可以看到信号的周期为1.25us，与前面的800kbps的通信频率正好对应。0码与1码通过不同的占空比进行区分。然而也出现了一个新问题，常用的STM32F1系列单片机，频率只有72MHz，对于高性能的STMF4系列也不过200MHz左右，也就是说，STM32F1的一个指令周期需要大约14ns，而正常情况下用HAL库控制单片机I/O翻转，至少需要30个指令周期，将近500ns才能实现一次高低电平变化，即使是直接用寄存器驱动I/O，也只能达到12MHz的翻转速度，就是F4系列直接用寄存器驱动，虽然可以超频到240MHz，让I/O翻转速率达到80MHz，然而稳定性也是一个方面。所以，STM32以及所有比他性能还低的单片机，用I/O翻转的方式，是很难驱动WS2812系列灯珠的，除非直接上400M的F7，或者你的片子啥事都不干就驱动一串LED。故此，排除掉直接翻转I/O口的方式，采用PWM+DMA或者SPI+DMA的方式驱动它。本文主讲SPI+DMA的驱动方式。
SPI+DMA的驱动方式

硬件SPI中有一个MOSI引脚来输出数据，我们就是用MOSI的输出功能，通过发送一个字节或半字的数据，来模拟我们的LED控制信号0码或码1，主要就是配置好SPI的时钟即可。看下图：


重点在于SPI的配置上面，我们通过控制SPI的时钟频率可以实现SPI传输8个位的数据使用的时间大致等于1.25us，例如STM32f407的SPI2挂载的APB1总线频率为42Mhz，8分频之后得到的SPI2的SCK的频率为5.25Mhz，周期为0.19us左右，传输8个位的时间为1.5us左右，然后进行一些调整，趋近于1.25us即可。接下来就是一些SPI的具体配置：


        SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;    //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
        SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                                      //设置SPI工作模式:设置为主SPI
        SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                                  //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
        SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;                                        //串行同步时钟的空闲状态为高电平
        SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                                //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
        SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                                          //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
        SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8;                //42M/8=5.xM
        SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                          //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
        SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;                                    //CRC值计算的多项式
        SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);                                   //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器


配置好SPI之后，就是DMA的配置了，为什么采用DMA呢。是因为每次调用SPI发送数据是有时间间隔的，并且会被中断打断，这时候DMA的作用就体现出来了。将DMA的内存地址设置为SIP待发送数据的地址，长度设置为发送数据的大小，然后开启DMA发送，等待DMA发送完成标志位置位即可。下面是DMA的配置部分：


  DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;                            //通道选择
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&SPI2->DR;                //DMA外设地址
  DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (u32)pixelBuffer;                 //DMA 存储器0地址
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;                   //存储器到外设模式
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = Pixel_S1_NUM * 24;                     //数据传输量
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;          //外设非增量模式
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;                   //存储器增量模式
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;   //外设数据长度:8位
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;           //存储器数据长度:8位
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;                             // 使用普通模式
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;                     //中等优先级
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;         
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;               //存储器突发单次传输
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;       //外设突发单次传输
  DMA_Init(DMA1_Stream4, &DMA_InitStructure);                               //初始化DMA Stream


SPI和DMA的配置就已经结束了，接下来便是数据的转换了。数据转换主要涉及将RGB转换为LED能识别的信号。下图是数据的传输方式：