【敏矽微ME32G070开发板免费体验】点亮WS2812B灯板

一、简介

板上集成了8颗RGB彩灯，但只需用到一个GPIO口，这是如何做到的呢？这节我们就点亮WS2812B展开话题。WS2812B是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。其外型与一个5050LED灯珠相同，每个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路。

二、驱动原理

由以上原理图可知，各个RGB灯是通过级联连接在一起的，因此可以延伸到12颗、16颗。
通信协议：
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。也就是说，第一颗灯珠将读取从MCU传输过来的所有数据，取其中24位作为自身数据，并将其余数据整形后向后传递，以此类推，直到数据传送完成。之后，MCU发送一个>=50us的低电平，ws281x芯片复位，重新开始第二次数据传输。
综上：这种通信方式大大节省了所需MCU的引脚，但是缺点也很明显。数据的0位和1位通过高电平和低电平的时间来控制，精确度在纳秒级别（0位和1位各占1.25us），对低速MCU极其不友好。
引脚定义：
VDD：电源正，范围+3.5V~+5.3V
VSS ：电源地
DIN：输入输入端，电压范围-0.5V ~ VDD+0.5V
DOUT：数据输出端，电压范围-0.5V ~ VDD+0.5V
注意点：
如果使用的是3.3V的单片机，是不能直接驱动WS2812，需要接5V的上拉电阻，然后设置IO口为开漏输出模式，这样才能满足WS2812的电平协议。
时序分析
该通讯方式为单总线通信，即利用高低电平的持续时间来确定0和1，与我们之前学的DS18B20温度传感器类似。

根据上图，小结一下：在一个周期内，高电平和低电平的比例，确定了数据帧为0、还是为1。
下面的是数据帧的组成部分：
数据帧为1：高电平持续T1H，低电平持续T1L
数据帧为0：高电平持续T0H，低电平持续T0L
复位帧：电平持续时间大于280us
复位帧可以理解为一个结束符号，让灯带知道我们需要操作LED灯的个数，例如板上只需要操作8个灯珠，但是我们外接了12个灯珠，这时候我们在第8个指令后面加个复位帧，就可以只控制前面8个灯，而不会控制后面的灯，当然前提是灯珠首位相连。
通常情况下，我们设置一个通信周期为800khz，即1250ns。短的持续时间为300ns、长的持续时间为850ns。
数据格式

注意：数据传输顺序为GRB，先传输高位数据。
由此可举例如下：
假如有三颗WS2812B灯珠，
设置第0个灯珠的RGB颜色为[15，25，128]
设置第1个灯珠的RGB颜色为[10，0，255]
设置第2个灯珠的RGB颜色为[0，25，12]
则第0个灯珠的数据表示 (GRB)：
G[0001 1001]R[0000 1111]B[1000 0000]
则第1个灯珠的数据表示 (GRB)：
G[0000 0000]R[0000 1010]B[1111 1111]
则第2个灯珠的数据表示 (GRB)：
G[0001 1001]R[0000 0000]B[0000 1100]
结合上述分析，每隔灯珠数据的发送顺序是：第0个灯珠数据，第1个灯珠数据，第2个灯珠数据，依次往下。控制引脚的电平变化 (忽略信号保持时间，0为高电平，1为低电平) 应该是：
[第0个灯珠数据GRB][第1个灯珠数据GRB][第2个灯珠数据GRB]
引脚状态从下面数据的左边第0位开始
[0001 1001 0000 1111 1000 0000 0000 0000 0000 1010 1111 1111 0001 1001 0000 0000 0000 1100]
驱动方式
目前关于WS2812B大概有三种驱动方法：
1）GPIO配合机器空周期直接驱动
2）PWM+DMA驱动
3）SPI+DMA驱动
参考例程中有使用到第二种驱动方式，这里简单介绍一下第二种驱动方式。我们知道每一位的特征周期为1.25us。这个间隔对应于800kHz的频率。此外，通过协议可得知，我们可以注意到唯一改变的是每个周期的高部分。它类似于一个脉冲宽度调制信号，可以做一个800Khz的PWM波去驱动。理论上说到这里灯就已经可以亮起来了，但如果引入DMA，数据传输交给DMA控制器来完成。数据传输不占用CPU，会使程序运行更高效。由于这里的灯珠不是很多，因此参考程序中没采用DMA进行数据传输。如若用到多节WS2812B灯带，采用DMA进行数据传输是非常有必要的。

三、工程源码

#include "me32g070.h"
#include "me32g070_ioconfig.h"
#include "me32g070_gpio.h"
#include "me32g070_sys.h"
#include "me32g070_timer.h"

#define MAX_LIGHT_NUMBER 12
__align(4) uint8_t org_rgb[3]={0xFF,0x0,0x0};
__align(4) uint8_t rgb[MAX_LIGHT_NUMBER][3];
uint32_t * rgbptr;
uint32_t * rgbendptr;

uint8_t start_color=0;
uint32_t data_index=0;

int main(void)
{
	SystemInit ();
	
	PB15_INIT(PB15_BTIM0_MAT0);
	PC12_INIT(PC12_BTIM0_MAT0);
	
	//btimer 0 init
	BTIM_Init(BTIM0, 16000000); 
	BTIM_ConfigPWMDataSift(BTIM0, 20,  5, 20,  15);//800K,0->25%,1->75%
	NVIC_EnableIRQ(BTIM0_IRQn);

	//btimer 1 init
	BTIM_Init(BTIM1, 10000); //10Khz,
	BTIM_ConfigMatch1(BTIM1, 1000, TIM_MATCH_RESET_COUNTER|TIM_MATCH_TRIGGER_INT); //trigger 10ms interrupt
	NVIC_EnableIRQ(BTIM1_IRQn);

	TIM_START(BTIM1);	
	//setup GPIO PB10 work as output
	PB->DIR_b.DIR10  =0x1;
	PC->DIR_b.DIR4  =0x1;
	
	while(1)
	{
		SYS_Delay(0x4FFFF);
	}
}
void BTIM0_IRQHandler(void)
{
	rgbptr=BTIM_DataSiftInt(BTIM0, rgbptr,  rgbendptr);
	BTIM_ClearIntFlag(BTIM0);	
}
void BTIM1_IRQHandler(void)
{
	uint32_t i;
	switch (start_color)
	{
		case 0: //r->g
			org_rgb[0]=org_rgb[0]-51;
			org_rgb[1]=org_rgb[1]+51;
			if (org_rgb[1]==0xFF)
				start_color=1;
			break;
		case 1: //g->b
			org_rgb[1]=org_rgb[1]-51;
			org_rgb[2]=org_rgb[2]+51;
			if (org_rgb[2]==0xFF)
				start_color=2;
			break;
		case 2: //b->r
			org_rgb[2]=org_rgb[2]-51;
			org_rgb[0]=org_rgb[0]+51;
			if (org_rgb[0]==0xFF)
				start_color=0;
			break;
	}
	for (i=MAX_LIGHT_NUMBER-1;i>0;i--)
	{
		rgb[i][0]=rgb[i-1][0];
		rgb[i][1]=rgb[i-1][1];
		rgb[i][2]=rgb[i-1][2];
	}
	rgb[0][0]=org_rgb[0];
	rgb[0][1]=org_rgb[1];
	rgb[0][2]=org_rgb[2];
	rgbptr=(uint32_t *)rgb;
	rgbendptr=rgbptr+((MAX_LIGHT_NUMBER*3)>>2);
	if ((MAX_LIGHT_NUMBER*3)&0x3)
		rgbendptr++;
	rgbptr=BTIM_StartDataSift(BTIM0, rgbptr,  rgbendptr);
	BTIM_ClearIntFlag(BTIM1);
}

四、驱动效果

正如下面视频