使用SPI+DMA控制算法驱动WS2812

1、ws2812b是一款集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源，采用单线归0码协议，每个像素点的三基色颜色可实现256级亮度显示。速率能达到1024pixel × 30fps / s，故被广泛用于各种需要大量使用RGB灯的场合。

2、不同厂商生产的ws2812存在不同的时序要求，下图是一款最常见的ws2812b通信协议。由此可以看出，我们一个0码或1码的周期在800ns~1400ns左右。

 

 

3、如果使用GPIO直接控制该总线，不但时序不好保证（编译器优化不同、不同库的汇编编译结果不同），而且十分占用CPU资源。

4、如果采用外设去模拟IO口的翻转，则可以极大的减少CPU的资源占用。目前常见的通用外设控制方案为IIC、SPI、PWM等。

　 考虑IIC可能使用得较多，故采用相对较少使用得SPI总线模拟该归0协议。若使用IIC模拟的思路相同。

 

5、SPI的详情简介不必赘述。假设我们通过SPI发送0xAA，我们的数据线就会变为10101010，

     通过修改不同的内容，即可修改SPI中0和1的持续时间。比如0xF0即为前半周期为高电平，后半周期为低电平的状态。

 

 

 

 

由于需要控制某个电平持续一定时间，那么数据采样需要在时钟周期的结束，而不是开始，即CPHA = 1。

 

3.设计思路

由于控制高低电平占比（ws2812 bit）的时间需要多个SPI bit，故SPI发送的长度肯定大于通信的内容，即用多个SPI bit去模拟一个ws2812 bit。常见的SPI传输是8bit，但也可配置为12、16等比特。但为了DMA搬运数据时方便对齐，故配置为8bit。

在SPI 8bit的数据长度下，我们采用2,4,8,12,16的SPI bit去模拟一个ws2812 bit。比如可以得出一下组合（实际上的ws2812时序并没有数据手册上那么严格，且不同厂家的配置不同）：

用4个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1000；bit1可表示为1110。且一个SPI bit在250~420ns均可。
用8个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812 bit0为:1100 0000；bit1可表示为1111 1100。且一个SPI bit在120~210ns均可。
当然不同比例的SPI bit可以调整出不同的SPI时间，具体根据SPI的配置时间。8个SPI bit能将时间调整得更精细，而4个SPI bit更省RAM。具体怎么配置还要和SPI的速度匹配。故我采用4个SPI bit模式。那么SPI的通信速率为2.4Mbps~4Mbps。

 

4.实现

用4个SPI bit去模拟，则用SPI bit表示ws2812

bit0为:1000；bit1可表示为1110。即

LOW=0x08

HIGH=0x0E

首先将SPI调整发送模式、数据长度、大小端、分频系数、CPHA：

#define  WSLEDNUM    8                                                // 定义灯的数量
uint8_t  wsFillMap[4] = {0x88, 0x8E, 0xE8, 0xEE};                     // 这是一个哈希表 00=0x88 01=0x8E 10=0xE8 11=0xEE
uint8_t  ws2812Buffer[WSLEDNUM*12+2] = {0};                            // 数组缓冲区

void setOnePixRGB(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t index)
{
    uint8_t i;
    uint8_t *bufHead = ws2812Buffer + (12 * index);                    // 通过bufHead确定该像素的首地址，减少后面计算
    
    for (i = 0; i < 4; ++i)                                            // 每次位移两位，通过哈希表来填充缓存区（当然你可以写一个4位的哈希表，就不用位移了）。并同时为GRB赋值，减少循环次数。
    {
            bufHead[0+i] = wsFillMap[(G >> (6 - 2 * i)) & 0x03];
            bufHead[4+i] = wsFillMap[(R >> (6- 2 * i)) & 0x03];
            bufHead[8+i] = wsFillMap[(B >> (6 - 2 * i)) & 0x03];
    }
}

void flushWs2812(void)                                                // 刷新函数，多发两个低电平稳定电平（心里安慰，其实没用）
{
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, ws2812Buffer, WSLEDNUM*12+2);
}

这段代码实现了刷新一个灯的缓冲区，并通过哈希表减少运算量。最后通过DMA发送缓冲区数据即更新所有灯的状态。

注意，同时因为下拉的存在，所以不需要发送很多的0来发送RESET，但必须需保证两帧间隔大于文档中的RESET码时间。

5.总结与展望
实际上，这次买的ws2812b系列的灯，并不是该厂家的。通过调整系统主频发现可以稳定“超频”到5Mbps的SPI速率，由于STM32G431CBU6可以达到150M甚至170M，所以最终固定为：150MHz的主频，4.6875Mbps的SPI。

在150M的主频下，执行setOnePixRGB()这个函数1000次仅用时800us，故在不考虑DMA效率下，连续设置250个灯的时间也小于RESET200us的时间，可以放心用，不用考虑双Buffer，更省RAM。

最后，这段代码仅提供思路，哈希表可以更加优化，对长灯带的缓存区数据填充有更合适的方法。
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