一个IO控制很多个LED，这个技能你get到了吗
实现目标
每隔一秒，点亮模块上的一个LED 点亮模块上的所有LED
所需工具及环境
Keil 5 STM32F103RET6核心板（本平台自制专用核心板，随便找一个开发板亦可） 8位 圆形 WS2812B LED模块
简介
多位（几个LED就是几位）通过引脚级联，接一个LED的DOUT引脚到另一个LED的DIN引脚，通过这种级联的方式，只需要使用一个IO口（单片机引脚）就能控制尽可能多的LED。
每个LED都集成了一颗驱动芯片在里面，让我们的LED变得智能和寻址，每一个内部都有恒流驱动，所以LED颜色非常一致，即使电压有小幅抖动，电压变化也是一样的。
不需要外部电阻——限流电阻，使LED灯的布局设计变得简单。
单线通信，能够最大限度的减少单片机IO口的压力，另外这款RGB灯使用了WS2812B驱动芯片，让外围电路只需要一颗电容就能够满足电路需求，从而最大可能的让电路变得简单优美。
特点
智能反接保护，电源反接不会损坏IC； IC控制电路与LED点光源公用一个电源； 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，扫描频率不低于400Hz； 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，无需增加额外电路； 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。
注意： 800Kbps，相当于1.25us传输一比特数据。
引脚图
引脚功能描述：
| NO. | Symbol | 功能描述 |
|---|---|---|
| 1 | VDD | LED的供电电源，Vdd 范围 +3.5~+5.3 V |
| 2 | DOUT | 控制信号数据输出引脚 |
| 3 | VSS | 地 |
| 4 | DIN | 控制信号数据输入引脚 |
典型电路
串联方法
原理图
除了灯珠以外只需要额外增加一个0.1uF的电容即可。
硬件连接
| STM32F103RET6核心板 | WS2812B模块 |
|---|---|
| PA6 | DIN |
| VCC | +5V |
| GND | GND |
驱动原理
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DOUT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。
因为数据被内部锁存，所以只要不改变颜色值（模块持续供电），颜色是不会发生改变的，设置颜色的脉冲也不需要持续提供（单片机发生复位也无影响），只需要在修改颜色值的时候，发送一遍即可。
0和1的区分
Treset：复位时间
由上图可知，我们要发送 '0' ，需要将GPIO引脚置高并持续0.4 us（400 ns），然后GPIO置低并持续0.85 us（850 ns），此过程即完成0 code的发送，具体代码实现如下：
void send_0(void)
{
IN_H;
Wait400ns;
IN_L;
Wait850ns;
}
我们要发送 '1' ，需要将GPIO引脚置高并持续0.85 us（850 ns），然后GPIO置低并持续0.4 us（400 ns），此过程即完成1 code的发送，具体代码实现如下：
void send_1(void)
{
IN_H;
Wait850ns;
IN_L;
Wait400ns;
}
所以本程序的难点即是求取400 ns 和 850 ns 相对精确的延时时间。
延时函数的实现
单片机里的延时函数一般通过执行一些无意义的循环进行延时，比如定义如下函数：
void delay（unsigned char i）
{
while（--i）;
}
我们这里需要的延时周期很小，才1.25us，因为函数的调用，需要入栈和出栈，所以如果使用上面的延时函数的方式的话，那么一进一出就接近几百ns的时间就没了，所以为了精确控制，我们这里延时函数的定义如下：
#define Wait10nop {__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();}
#define Wait250ns {__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();}
#define Wait400ns {Wait250ns;Wait10nop;} //388
#define Wait850ns {Wait250ns;Wait10nop;Wait10nop;Wait10nop;Wait10nop;__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();} //860
我们在main函数中使用如下方式测试这个延时函数：
while(1)
{
IN_H;
//Wait250ns;
Wait850ns;
IN_L;
//Wait250ns;
Wait850ns;
}
然后用示波器观察与模块DIN引脚相连的GPIO输出的脉冲信号，查看其高电平是否与咱们预定义的一致，如果不一致，增加或减少空指令进行调整。
注意：一个 __NOP(); 空指令的耗时大约：1000/72 ≈ 14 ns 的时间，自己可以在上面定义的基础上，根据需要随意增加或者减少 __NOP(); 空指令的个数。
“注意空指令前面是两个“_”。
经过示波器测量，不断调整，上面定义的 Wait250ns 宏定义的耗时如下图所示。
经过示波器测试，上面的 Wait400ns 耗时为 388 ns , Wait850ns 耗时为 860 ns，满足上面"0"和"1"的时间区间范围。
24 bit数据的组成
注意： 数据传输顺序按GRB顺序传输，并且高位在前。
void ws2812_rgb(u8 ws_num,u8 ws_r,u8 ws_g,u8 ws_b)
{
ws_data[(ws_num-1)*3]=ws_g;
ws_data[(ws_num-1)*3+1]=ws_r;
ws_data[(ws_num-1)*3+2]=ws_b;
}
ws_data[] 数组用于记录待传输的RGB数据，每一个灯珠的颜色占用三个字节，因为数据传输顺序按GRB的顺序传输，所以赋值的时候注意先后顺序，上面函数是设置某一个灯珠的颜色值。
ws_data[] 数组中颜色值设置完毕之后，就要把这个数组的数据发送到模块中，具体的实现函数如下：
void ws2812_refresh(u8 ws_count)
{
u8 ws_ri=0;
for(;ws_ri<ws_count*3;ws_ri++)
{
if((ws_data[ws_ri]&0x80)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x40)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x20)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x10)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x08)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x04)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x02)==0) send_0(); else send_1();
if((ws_data[ws_ri]&0x01)==0) send_0(); else send_1();
}
//延时一段时间
ws2812_reset();
}
ws_data[] 数组中的每一个字节按位发送，因为高位在前，所以先发送每个字节的高位，获取最高位的值的方法为：ws_data[ws_ri]&0x80 。
数据传输方法
N位的模块，一次就要发送 N * 3 字节的数据。
注意： 上图中D1的数据是通过单片机发送，D2，D3，D4通过像素内重塑放大传输。
main函数实现
main函数中，每隔1S，点亮一个LED，当8个LED都点亮一次之后，所有LED点亮一次，然后再开启下一次循环。
main函数的具体实现如下所示：
int main(void)
{
int times = 0;
//初始化
//延时函数初始化
delay_init();
uart_init(115200); //串口1：Debug,初始化为115200
ws2812_init();
printf("System Init OK ...\r\n");
while(1)
{
times++;
if(times > 8)
times = 0;
switch(times)
{
case 0:
ws2812_rgb(1, WS_RED);
ws2812_rgb(2, WS_GREEN);
ws2812_rgb(3, WS_BLUE);
ws2812_rgb(4, WS_WHITE);
ws2812_rgb(5, WS_PURPLE);
ws2812_rgb(6, WS_YELLOW);
ws2812_rgb(7, WS_BROWN);
ws2812_rgb(8, WS_BLUE);
ws2812_refresh(8);
break;
case 1:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(1, WS_RED);
ws2812_refresh(8);
break;
case 2:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(2, WS_GREEN);
ws2812_refresh(8);
break;
case 3:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(3, WS_BLUE);
ws2812_refresh(8);
break;
case 4:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(4, WS_WHITE);
ws2812_refresh(8);
break;
case 5:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(5, WS_PURPLE);
ws2812_refresh(8);
break;
case 6:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(6, WS_YELLOW);
ws2812_refresh(8);
break;
case 7:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(7, WS_BROWN);
ws2812_refresh(8);
break;
case 8:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8));
ws2812_rgb(8, WS_BLUE);
ws2812_refresh(8);
break;
}
delay_ms(1000);
}
}
颜色RGB值查询
颜色的RGB值和名称可以参考下面链接：
https://code.ziqiangxuetang.com/try/color.py
程序中颜色预定义如下：
#define WS_DARK 0,0,0
#define WS_WHITE 255,255,255
#define WS_RED 255,0,0
#define WS_GREEN 0,255,0
#define WS_BLUE 0,0,255
#define WS_YELLOW 255,255,0
#define WS_PURPLE 255,0,255
#define WS_CYAN 0,255,255
#define WS_BROWN 165,42,42
大家可以根据自己的喜欢，随意替换颜色。
—— The End ——
