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零知开源——使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

本帖最后由 PCB56242069 于 2025-2-20 15:30 编辑

​利用零知增强版的GPIO 模拟时序             
引用: 在本教程中，我们将探讨如何使用 零知增强版的 GPIO 接口来模拟 WS2812B LED 灯带的信号传输时序，从而实现对单色或多彩 LED 灯带的控制。这种技术允许我们避开专用驱动库，直接与硬件进行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信机制。


一、工具原料
引用: 电脑、Windows系统
零知增强版开发板
Micro-usb线
WS2812RGB灯
       WS2812B 是一款内含控制器芯片的全彩 LED 灯珠，每个灯珠可以独立显示红、绿、蓝三色。它通过单一数据线接收命令，实现高精度颜色控制。


二、硬件连接
                        零知增强版
                        		                        WS2812B
                        
                        5V
                        		                        VCC
                        
                        GND
                        		                        GND
                        
                        51
                        		                        Din
                        

1、硬件连接示意图
a8c9671deece4cd0b644ee0a76decd8a.png


2、实际效果
5e843b45eddd424bb8f17811854d456f.png

三、传输时序和颜色控制

1、信号传输时序

WS2812B 的数据传输遵循特定的时间序列：



  • 高电平持续时间决定比特值：T1H 和 T0H 分别代表比特 1 和比特 0 的高电平持续时间。
  • 低电平持续时间：T1L 和 T0L。
引用: 注：T1H 为 800ns，T1L 为 450ns 表示 1 比特。
  T0H 为 400ns，T0L 为 850ns 表示 0 比特。

2、颜色控制
控制全局亮度和遵循WS2812B发送的时序：

  • 通过brightness参数调节RGB灯的全局亮度
  • WS2812B协议发送时序为G -> R -> B

四、代码驱动
1、相关定义和初始化
  1. // WS2812B相关定义
  2. #define WS2812B_PIN 51      // WS2812B数据引脚
  3. #define NUM_LEDS 8          // 灯珠数量
  4. #define MAX_BRIGHTNESS 0.5  // 全局亮度调节（范围：0.0 - 1.0）
  6. // WS2812B控制协议时间（根据各自的时序进行修改该定义）
  7. #define T1H 800
  8. #define T1L 450
  9. #define T0H 400
  10. #define T0L 850
  12. // 初始化WS2812B引脚
  13. void setupWS2812B() {
  14.     pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
  15.     digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
  16. }
  18. // 更精确的纳秒延时函数（这里只是示例，实际可能需要更复杂的实现）
  19. // 假设使用了支持纳秒级延时的定时器库
  20. // 这里暂时使用简单的微秒级延时近似
  21. void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
  22.     delayMicroseconds(ns / 1000);
  23. }
2、控制颜色和发送相关数据
  1. // 发送一个比特
  2. void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
  3.     if (bitVal) {
  4.         // 发送逻辑1
  5.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
  6.         delayNanoseconds(T1H);
  7.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
  8.         delayNanoseconds(T1L);
  9.     } else {
  10.         // 发送逻辑0
  11.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
  12.         delayNanoseconds(T0H);
  13.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
  14.         delayNanoseconds(T0L);
  15.     }
  16. }
  18. // 发送一个字节
  19. void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
  20.     for (int i = 7; i >= 0; i--) {
  21.         WS2812B_SendBit(byte & (1 << i));
  22.     }
  23. }
  25. // 发送RGB颜色数据（带亮度调节）
  26. void WS2812B_SendColor(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
  27.     // 应用全局亮度调节
  28.     red = (uint8_t)(red * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
  29.     green = (uint8_t)(green * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
  30.     blue = (uint8_t)(blue * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
  32.     // WS2812B协议发送顺序：G -> R -> B
  33.     WS2812B_SendByte(green);
  34.     WS2812B_SendByte(red);
  35.     WS2812B_SendByte(blue);
  36. }
3、实现流水灯、呼吸灯等功能
  1. // 效果：彩虹追逐
  2. void rainbowChaseEffect(uint8_t wait) {
  3.     for (int offset = 0; offset < 255; offset++) {
  4.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
  5.             int hue = (i * 255 / NUM_LEDS + offset) % 255;
  6.             uint8_t r = 0, g = 0, b = 0;
  7.             if (hue < 85) {
  8.                 r = 255 - hue * 3;
  9.                 g = hue * 3;
  10.                 b = 0;
  11.             } else if (hue < 170) {
  12.                 hue -= 85;
  13.                 r = 0;
  14.                 g = 255 - hue * 3;
  15.                 b = hue * 3;
  16.             } else {
  17.                 hue -= 170;
  18.                 r = hue * 3;
  19.                 g = 0;
  20.                 b = 255 - hue * 3;
  21.             }
  22.             WS2812B_SendColor(r, g, b, MAX_BRIGHTNESS);
  23.         }
  24.         delay(wait);
  25.     }
  26. }
  28. // 呼吸灯效果
  29. void breathAndFlow(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t steps, uint16_t period, uint8_t wait, uint8_t iterations) {
  30.     int ledStep[NUM_LEDS]; // 为每个 LED 创建一个步骤计数器
  31.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
  32.         ledStep[i] = 0; // 初始化每个LED的步进
  33.     }
  35.     uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循环计数器
  37.     while (cycleCounter < iterations) { // 有限循环，迭代指定次数
  38.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
  39.             // 计算当前 LED 的亮度比例
  40.             float brightness = (sin(ledStep[i] * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
  41.             WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用计算出的亮度
  43.             // 更新 LED 的步骤计数器，模拟呼吸效果
  44.             ledStep[i] = (ledStep[i] + 1) % (steps * 2); // 确保计数器在达到两倍步骤后重置
  46.             // 计算每个步骤的时间间隔
  47.             delayMicroseconds(period / steps);
  48.         }
  49.       
  50.         // 在一轮呼吸之后关闭所有灯
  51.         clearAllLeds();
  53.         // 增加循环计数器
  54.         cycleCounter++;
  56.         // 根据需要添加延迟，虽然这不是必须的
  57.         delay(wait);
  58.     }
  59. }
  61. // 增加一个状态变量来记录是否有颜色覆盖
  62. bool isCovered = false;
  64. // 流水灯
  65. void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
  66.     // 特殊处理第一个灯
  67.     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
  68.     // 从第二个灯开始的索引为1
  69.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
  70.         for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
  71.             if (i - j == 0) {
  72.                 if (!isCovered) {
  73.                     // 如果没有被覆盖，设置为绿色
  74.                     WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS);
  75.                 } else {
  76.                     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
  77.                 }
  78.             } else {
  79.                 WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS * trailDecay / 255.0);
  80.             }
  81.         }
  82.         if (i == NUM_LEDS - 1) {
  83.             // 当到达最后一个灯时，标记为已覆盖
  84.             isCovered = true;
  85.         }
  86.         delay(wait);
  87.     }
  88. }
4、控制灯的状态
  1. // 设置特定位置灯珠颜色
  2. void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
  3.     if (pos < NUM_LEDS) {
  4.         // 只发送前面灯珠的关闭信号，直到要设置颜色的灯珠位置
  5.         for (int i = 0; i < pos; i++) {
  6.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
  7.         }
  8.         // 设置目标灯珠颜色
  9.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
  10.         // 发送后面灯珠的关闭信号，从目标灯珠的下一个位置开始
  11.         for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
  12.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
  13.         }
  14.     }
  15. }
  17. // 设置所有灯珠颜色
  18. void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
  19.     clearAllLeds();// 先清除所有灯珠，确保没有杂色
  20.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
  21.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
  22.     }
  23. }
  25. // 清除所有灯珠
  26. void clearAllLeds() {
  27.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
  28.         WS2812B_SendByte(0);
  29.     }
  30. }

5、主循环
  1. // 初始化
  2. void setup() {
  3.     setupWS2812B();
  4.     clearAllLeds();  // 确保灯带初始状态关闭
  5. }
  7. // 主循环
  8. void loop() {
  9.     uint8_t Count = 0;
  10.     //clearAllLeds();
  11.     // 设置第六个灯珠为蓝色
  12.     //setLedColor(5, 0, 0, 255, MAX_BRIGHTNESS);
  13.     //delay(500);
  14.     while(Count < 10)
  15.     {
  16.       ShampEffect(0, 0, random(255), 256, 200);
  17.       Count ++;
  18.     }
  19.    
  20.     //rainbowChaseEffect(1000);
  21.     breathAndFlow(0,255,0,5,50,100,100);
  22. }

五、成果展示将上诉代码验证后上传到零知板，可以看到以下流水灯、呼吸灯等测试结果。
​
使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带


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使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

回帖（1）

零知实验室

2025-2-20 14:37:23

零知开源——使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

​利用零知增强版的GPIO 模拟时序
       在本教程中，我们将探讨如何使用 零知增强版的 GPIO 接口来模拟 WS2812B LED 灯带的信号传输时序，从而实现对单色或多彩 LED 灯带的控制。这种技术允许我们避开专用驱动库，直接与硬件进行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信机制。


一、工具原料
引用: 电脑、Windows系统
零知增强版开发板
Micro-usb线
WS2812RGB灯

       WS2812B 是一款内含控制器芯片的全彩 LED 灯珠，每个灯珠可以独立显示红、绿、蓝三色。它通过单一数据线接收命令，实现高精度颜色控制。


二、硬件连接
                        零知增强版
                        		                        WS2812B
                       
                        5V
                        		                        VCC
                       
                        GND
                        		                        GND
                       
                        51
                        		                        Din
                       
1、硬件连接示意图

2、实际效果


三、传输时序和颜色控制
1、信号传输时序

WS2812B 的数据传输遵循特定的时间序列：


           
  • 高电平持续时间决定比特值：T1H 和 T0H 分别代表比特 1 和比特 0 的高电平持续时间。
           
  • 低电平持续时间：T1L 和 T0L。
引用: 注：T1H 为 800ns，T1L 为 450ns 表示 1 比特。
  T0H 为 400ns，T0L 为 850ns 表示 0 比特。



2、颜色控制
控制全局亮度和遵循WS2812B发送的时序：


           
  • 通过brightness参数调节RGB灯的全局亮度
           
  • WS2812B协议发送时序为G -> R -> B



四、代码驱动
1、相关定义和初始化

2、控制颜色和发送相关数据

3、实现流水灯、呼吸灯等功能

4、控制灯的状态

5、主循环

五、成果展示
将上诉代码验证后上传到零知板，可以看到以下流水灯、呼吸灯等测试结果。
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