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

1. 智能反接保护，电源反接不会损坏IC；
2. IC控制电路与LED点光源公用一个电源；
3. 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；
4. 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；
5. 内置上电复位和掉电复位电路；
6. 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；
7. 串行级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码；
8. 任意两点传输距离在不超过5米时，无需增加额外电路；
9. 当刷新速率30帧/秒时，级联数不小于1024点；
10. 数据发送速度可达800Kbps；
11. 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：

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

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：

voidsend_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：

voidsend_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（unsignedchar 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。

voidws2812_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：

voidws2812_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：

intmain(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)
        {
case0:
                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;
case1:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(1, WS_RED);
                ws2812_refresh(8);
break;
case2:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(2, WS_GREEN);
                ws2812_refresh(8);
break;
case3:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(3, WS_BLUE);
                ws2812_refresh(8);
break;
case4:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(4, WS_WHITE);
                ws2812_refresh(8);
break;
case5:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(5, WS_PURPLE);
                ws2812_refresh(8);
break;
case6:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(6, WS_YELLOW);
                ws2812_refresh(8);
break;
case7:
memset(ws_data,0,WS_ARRAY_SIZE*sizeof(u8)); 
                ws2812_rgb(7, WS_BROWN);
                ws2812_refresh(8);
break;
case8:
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。