【代码分享】MC3172大战WS2812B

HonestQiao · 2022-08-19 14:33:11

WS2812概览
WS2812B是非常常见的一种带有全彩LED控制IC的光源，应用场合非常多。
很多开发板上，有一颗WS2812B灯珠供开发者调用，如ESP32-C3-DevKitM-1开发板：(有的板子可能不带有)

多颗灯珠，也能够串联到一起使用，组成形式多种多样，如：
WS2812B形态.png

在实际应用中，组成灯带的形式也非常常用：
.png

WS2812的控制
不管WS2812B组成何种形式，都只需要一根线进行控制即可：
.jpeg

控制设备根据要控制的灯珠数量，一次发送所需长度的控制数据，然后第一颗灯珠把第一段控制数据截取掉，然后把剩下的向后传递，依次直到所有的灯珠都能收到自己对应的控制数据。要控制的灯珠数量，可少于整体实际灯珠数量，但必须从第一颗顺序开始，例如只控制第一颗，或者前两颗。
.png
这种控制方式，看过人体蜈蚣的同学，是不是感觉有内味了：（（（

每一颗灯珠，都是全彩LED，控制数据的顺序为三原色GRB，每一种颜色由8bits构成，也就是0~255，三种合起来有1600万种颜色，当然大多数可能我们分辨不出来。
也就是说，控制一颗灯珠，需要24bits的数据：
.png

WS2812的时序定义
然而，然而，此处的bit，和我们从控制设备发送过来的控制数据中的二进制bit(通俗来说)，不能一一对应。
它有着自己的时序规则定义：
.png

控制数据的发送规则
我们传输控制数据的时候，需要控制传输引脚，根据以上时序，形成特定的高低电平保持时间，才会被控制IC接收。
例如：
假设我们发送0x80，那么对应的二进制为0b10000000；
而MCU上，数字通信数据的发送，本质上是高低电平的规则性变化，那么前述二进制中，发送1的时候，对应高电平，发送0的时候，则对应低电平。
如果以一定的速率发送0b10000000，那么就会形成特定时间的高低电平保持。

经过计算，如果控制设备要在1.25us内发送8bits，那么:
频率 = 1 / (1.25us/8) = 6,400,000 = 6.4M
因此，只要我们的控制设备，以上述速度，发送特定的数据，就能满足上述时序规则。
而发送0b10000000时：
高电平持续时间为1.25us/8 = 0.1563us，在0.25us+-150ns范围内
低电平持续时间为7*1.25us/8 = 1.0938us，在1us+-150ns范围内
那么发送0b10000000时，控制IC就会实际收到0码；

可以选用的控制数据
当然，上述8bits数据中，可以调配开头1和0的个数，只有使得高低电平保持时间，在允许范围内即可。
如果1个1开头，则是0b10000000，对应0x80，在0码时间范围内
如果2个1开头，则是0b11000000，对应0xc0，在0码时间范围内
如果3个1开头，则是0b11100000，对应0xe0，在0码时间范围内
如果4个1开头，则是0b11100000，对应0xe0，无效
如果5个1开头，则是0b11100000，对应0xf8，在1码时间范围内
如果6个1开头，则是0b11100000，对应0xfc，在1码时间范围内
如果7个1开头，则是0b11100000，对应0xfe，在1码时间范围内

我这边的经验数据，取了0x80对应0码，0xf8对应1码。

多颗灯珠的控制
前面说过，控制1颗灯珠，需要24bits，那么，控制设备，只要以上述速度，发送24 Bytes的0x80或0xf8就可以了。
要再同时控制第2颗灯珠，那就再加24 Bytes，一共48 Bytes
要再同时控制第3颗灯珠，那就再加24 Bytes，一共72 Bytes
以此类推，速度允许的情况下，可以控制多达上千颗灯珠。

需要提醒的是，WS2812B一颗灯珠的满亮度工作电流为60ma(GRB各20ma)，灯珠少好说，可以用一些开发板的供电，但灯珠一多，很可能带不起来，所以，通常多颗情况下，我都是单独供电的。

控制多颗灯珠，就连续发送24*n Bytes控制数据；那么需要发送新一轮的控制数据，怎么办？
在之前的时序定义中，还有一个RES，我们只需要发送0x00(对应0b00000000)，达到50us即可，简单起见，在上述发送速度下，我直接发送了50个0x00

现在，要发送灯珠控制数据了，就连续发送n个24 Bytes的控制数据，让控制IC接收为n个24 bits，并每8 bits对应GRB即可。
如果要发送新一轮的控制数据了，那么就发50 bytes 的0x00即可。

数据解析链
在控制设备发送数据的时候，8个字节，对应WS2812B的8 bits，也就是一种颜色，那我们就在控制设备中，也使用0x00~0xff代表颜色值，并根据其二进制，生成对应的8字节数组，其中0 对应 0x80，1对应0xf8，于是形成了下面的解释链：

控制设备(G=0x01) => 二进制(0b00000001) => 01码字节数组({0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0x80, 0xf8}) => 通信接口发送 => WS2812B接收 => 01码识别({0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1}) => 二进制(0b00000001) => 颜色控制值(G=0x01)

通过这个解析链，就形成了完整的闭环。注意，上述解释链中WS2812B接收后解码为二进制和颜色控制值，只是为了方便理解添加的。

选用发送数据的端口
理解了上述数据发送的原理，我们可以选用所有可用的通信端口，来发送数据，用UART、SPI、I2C等都可以。
如果发送的速度为 6.4MHz，一般而言常见的通用通信端口中，只有SPI符合要求。下面的实例，就使用的SPI接口。
在之前的时序规则说明中，给出了容错的范围，选用6.4MHz只是经验数据，是根据标准值1.25us发送8bits数据得到的。
而我的板子运行在200MHz，所以选用6.4MHz，没有任何问题。

数据发送的优化
在容错范围内，发送的数据，形成的高低电平保持时序，符合01码对应的时序要求，那么就可以用。
首发内测群的juice等大佬，直接使用3 bits来形成对应1位01码的时序，那么一种颜色的控制数据，只需要24bits，也就是3 bytes即可，远少于上述6.4MHz方案中的8 bytes，同样所需要的传输速度也就不需要这么高了。
如果感兴趣，可以根据容错范围，进行精心调配，以实现更精确的控制。

实现效果
最终，在感芯刘工的帮助，及群内各位大佬的帮助下，在MC3172上，通过SPi实现了WS2812B的原生控制，具体效果如下：
4颗灯珠：

24颗灯环：

代码分享
具体的代码，分享到了：https://gitee.com/honestqiao/mc3172-ws2812b

对于关键代码进行说明：

#include "../MC3172/MC3172.h"
#include <math.h>
#include "common.h"
#include "test_spi.h"
////////////////////////////////////////////////////////////

#define ARRAY_SIZE(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))

// RST码
#define TRST 0x00
// 0码
#define TOL 0x80
// 1码
#define TOH 0xf8

// 演示时间
#define DELAY_US_NUM 300000

// 每灯珠bit位数
#define R_BYTE_BITS 24

// 灯珠数量
#define R_NUM 24

// 所有灯珠对应的bit位数
#define R_NUM_BITS R_NUM * R_BYTE_BITS

// RST位发送的个数
#define R_NUM_RESET_BITS 50

// G=0 R=0 B=0对应数据
unsigned char default_tx0[] = {
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL};

// G=0x80 R=0x80 B=0x80对应数据
unsigned char default_tx1[] = {
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL};

// 多种颜色对应的部分数据
unsigned char default_tx1_colors[] [R_BYTE_BITS]= {
    {
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH,
    TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH, TOH,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
    {
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL,
    TOH, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL, TOL},
};

void GPCOM_SPI_WS2812B2(u32 gpcom_sel)
{
    INTDEV_SET_CLK_RST(gpcom_sel,(INTDEV_RUN|INTDEV_IS_GROUP0|INTDEV_CLK_IS_CORECLK_DIV2));

    GPCOM_SET_IN_PORT(gpcom_sel,(GPCOM_MASTER_IN_IS_P3));
    GPCOM_SET_OUT_PORT(gpcom_sel,( \
            GPCOM_P0_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P1_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P2_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P3_OUTPUT_DISABLE| \
            GPCOM_P0_IS_HIGH|      GPCOM_P1_IS_MASTER_CLK|GPCOM_P2_IS_MASTER_OUT|GPCOM_P3_IS_HIGH
                      ));
    GPCOM_SET_COM_MODE(gpcom_sel,(GPCOM_SPI_MASTER_MODE3|GPCOM_TX_MSB_FIRST|GPCOM_RX_MSB_FIRST));
    
    // 设置SPI外设时钟，数据发送速度
    GPCOM_SET_COM_SPEED(gpcom_sel,CORE_CLOCK_HZ/INTDEV_CLK_IS_CORECLK_DIV2, 6400000);


    while(!(GPCOM_TX_FIFO_EMPTY(gpcom_sel))){};
    GPCOM_SET_OVERRIDE_GPIO(gpcom_sel, ( \
            GPCOM_P0_OVERRIDE_GPIO| \
            GPCOM_P1_OVERRIDE_GPIO| \
            GPCOM_P2_OVERRIDE_GPIO| \
            GPCOM_P3_OVERRIDE_GPIO|GPCOM_P3_INPUT_ENABLE  \
                                              ));

    u32 t = 0;

    // 发送缓冲区
    unsigned char default_tx[R_NUM_BITS+R_NUM_RESET_BITS*2+10];
    while(1){
        u16 idx = 0;
        // RESET Bits
        for(u16 n=0;n<R_NUM_RESET_BITS;n++) {
            default_tx[idx++] = TRST;
        }

        // 驱动灯珠
        for(u16 m=0;m<R_NUM;m++) {
            if(t%R_NUM==m) {
                for(u16 n=0;n<R_BYTE_BITS;n++) {
                    default_tx[idx++] = default_tx1_colors[m%7][n];
                }
            } else {
                for(u16 n=0;n<R_BYTE_BITS;n++) {
                    default_tx[idx++] = default_tx0[n];
                }
            }
        }

        // RESET Bits
        for(u16 n=0;n<R_NUM_RESET_BITS;n++) {
            default_tx[idx++] = TRST;
        }        

        // 设置输出
        GPCOM_SET_OUT_PORT(gpcom_sel,( \
                GPCOM_P0_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P1_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P2_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P3_OUTPUT_DISABLE| \
                GPCOM_P0_IS_HIGH|      GPCOM_P1_IS_MASTER_CLK| GPCOM_P2_IS_MASTER_OUT|GPCOM_P3_IS_HIGH
                            ));

        // 写入输出缓冲区
        for(u16 n=0;n<idx;n++) {
            while(GPCOM_TX_FIFO_FULL(gpcom_sel));
            GPCOM_PUSH_TX_DATA(gpcom_sel,default_tx[n]);
        }        
        while(!(GPCOM_TX_FIFO_EMPTY(gpcom_sel))){};

        // 设置输出引脚低电平
        GPCOM_SET_OUT_PORT(gpcom_sel,( \
                GPCOM_P0_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P1_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P2_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P3_OUTPUT_DISABLE| \
                GPCOM_P0_IS_HIGH|      GPCOM_P1_IS_MASTER_CLK| GPCOM_P2_IS_LOW|GPCOM_P3_IS_HIGH
                            ));

        delay_us(DELAY_US_NUM);
        t++;
    }

    GPCOM_SET_OUT_PORT(gpcom_sel,( \
            GPCOM_P0_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P1_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P2_OUTPUT_ENABLE|GPCOM_P3_OUTPUT_DISABLE| \
            GPCOM_P0_IS_HIGH|      GPCOM_P1_IS_MASTER_CLK| GPCOM_P2_IS_MASTER_OUT|GPCOM_P3_IS_HIGH
                        ));
}

上述代码中，具体说明如下：
1. 预定义部分：
1). default_tx0[]：定义了一颗灯珠G=0、R=0、B=0的控制字节数组
2). default_tx1[]：定义了一颗灯珠G=0x80、R=0x80、B=0x80的控制字节数组
3). default_tx1_colors[]：定义了7种颜色

二、实际处理部分：
1. 使用t做为自增变量，通过其来确定当前要点亮的灯珠
2. 根据t，生成了控制数据，非当前灯珠使用0码对应的控制数据，当前灯珠则从颜色表中选一个数据，并在发送前后，添加RST码对应的控制数据
3. 发送前，设置P2为MOSI输出，然后发送数据，发送完毕，设置P2为LOW

使用SPI的过程中，在感芯大佬刘工的帮助下，逐步理解了SPI的速率设置关系，并使用逻辑分分析仪进行了分析：
.png
由于SPI发送数据前后，idle为高电平，所以在实际数据发送前后，发送了50 bits的RST，隔离开来，避免干扰。
在大佬刘工手把手指导下，经过多番调试大战，最终搞定了WS2812B。

另外，还要感谢群里Memory大佬的帮助，提供了200Mhz晶振，让我的板子得以高速运行。

以上只是一次小小的原理学习尝试，分享的内容也非常的基础，如有不当之处，还请各位大佬多多指正，一定好好学习，天天向上！

附注：
本文中，关于WS2812B的资料，可以查看下面的PDF文档：
WS2812B_cn.pdf

最近编辑记录 HonestQiao (2022-08-19 17:12:53)

support_gxchip · 2022-08-19 15:43:48

太炫酷了

HonestQiao · 2022-08-19 17:24:22

学习过程中，参考过的文章和资料：
1. https://whycan.com/t_8643.html
2. https://www.cnblogs.com/PureHeart/p/11349495.html
3. https://github.com/hepingood/ws2812b

sven1234 · 2022-08-19 17:43:51

大佬威武。
多来几路就可以做个LED显示屏了。

HonestQiao · 2022-08-19 18:51:10

sven1234 说：

大佬威武。
多来几路就可以做个LED显示屏了。

>>> 12个可配置通信接口，可按需配置为UASRT或SPI或USB或CAN总线形式

大胆搞起！！！

WhyCan Forum(哇酷开发者社区)

楼主 # 2022-08-19 14:33:11 分享评论

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#1 2022-08-19 15:43:48 分享评论

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楼主 #2 2022-08-19 17:24:22 分享评论

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#3 2022-08-19 17:43:51 分享评论

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