一个IO控制很多个LED，这个技能你get到了吗

ws2812b 灯珠 RGB模块

嵌入式从0到1

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发布时间: 2021-01-25

丨

阅读: 560

### 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

### 本文源码
![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232057998.png)

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### 简介

电压：DC4~7V

多位（几个LED就是几位）通过引脚级联接一个到另一个的输出引脚，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

![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021012023215228.png)
![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232204572.png)

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

![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021012023225229.png)

#### 原理图

![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232305211.png)

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。

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

![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232329190.png)

Treset：复位时间

![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232342373.png)

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：

```C
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：

```C
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：

```C
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：

```C
#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：

```C
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。

![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021012023241395.png)

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

![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232427563.png)

**注意：** 数据传输顺序按GRB顺序传输，并且高位在前。

```C
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[]** 数组中用于记录待传输的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：

```C
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判断发送，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。
![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210120232439835.png)

**注意：** 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函数调用

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：

```C
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：

```C
#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。

### 结果展示

![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210121002604228.png)

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nemon 82天前...

请教一下，这个灯珠，一组可以串几个？

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