【.NET 与树莓派】控制彩色灯带（WS28XX）

彩色灯带，相信不用老周多说，大家都知道，没准你家里的灯墙里面就有。老周的茅屋是早期建造的，所以没有预留的灯槽，明灯的话是不好看的，因此老周家里没使用灯带。不过，像柜子后面，显示器后面，书桌边沿这些地方，可以贴彩色灯带。书架上也贴了一些，因为那个书架是圣诞树形状的，没办法一条灯带贴完，只能把它剪开 N 段，测算好每一段的距离，再用烙铁加线重新焊接起来（嫌麻烦的话可以直接买连接头，不用焊接）。

买灯带时老周没有买驱动器，毕竟一开始老周就计划自己写个程序来控制灯带的色彩。装饰用的灯带，5V 电压足矣。如果灯较多可以考虑独立供电，5V电源比较方便好弄，手机充电头、锂电池+5V稳压板即可轻松解决。其实，两米长度内直接用开发板供电都没啥问题。要是五米一卷的，用树莓派的5V引脚供电没有问题，但用 ESP32 的话，电压好像有点不够，亮度降低。

老周的卧室里面目前使用的装饰灯是用 ESP 32 做的，两颗18650电池供电（需要稳压模块调到5V电压）。主要是看中 ESP32有 WiFi 功能，上面写个 UDP 服务器，通过接收到的命令来切换灯带颜色。

控制命令比较简单，全用文本格式，客户端只要发送满足格式要求的命令到 ESP32 即可。比如，发送

SET+255 125 127

首先识别出“SET+”，后面三个数值用空格分隔，依次表示 RGB 三个值。例如，让灯变成蓝色

SET+0 0 255

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彩色灯带使用 WS28XX 作为IC，常见的像 WS2812B。每个灯珠都可以单独控制，灯带剪开后只需要串联好就行，灯带末端不需要连接回路，WS28XX 自带回路。

WS28XX 的时序其实很简单，+5V 和 GND 是供电接口，剩下一根数据线来传输信号，所以这货是单数据线控制的。当N个灯珠串联起来后，第一个灯珠的 Din 输入信号，Dout 输出信号；第一个灯珠 Dout 联第二个灯珠的 Din；第二个灯珠的 Dout 联第三个灯珠的 Din ……

 

我们都知道，RGB三个值，各为一个字节，8位，三个值合起来 24 位，所以每个灯珠的数据为24位，3个 byte。对于每个二进制位，WS28XX 是通过单周期内高电平的持续时间来判断 0 或 1。

请看下面的高清无码美图。

 

上面这个就是 WS28XX 的时序图。在一个脉冲周期内，如果：

高电平持续时间为 0.4 微秒，低电平持续时间为 0.85 微秒，那么就是0；

高电平持续时间为 0.85 微秒，低电平持续时间为 0.4 微秒，那么就是1。

故一个周期的总时长为 1.25 微秒，即频率为 1000000 / 1.25 = 800 KHz，即 0.8 MHz。

请记住这个频率，后面有用。

WS28XX的信号是连续发的，中间不需要停顿；如果出现超过 50 微秒的低电平，那么WS28XX会认为你的信号发送完毕。如果数据线上有数据来就会从第一个灯珠开始进行处理（等于更新整个灯带的数据）。

例如，有四个灯珠串联，每个灯的RGB有24位，那么，你需要向WS28XX连续发送 24 * 4 = 96 位数据，数据发送中不要停顿，所有数据都是连着发的—— 96位连续发，中间不用停顿；全部发完后再输出50微秒左右的低电平表示结束发送。

比如，红色，RGB 是 255，0，0，那么这24位就是：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

如果有三个灯珠，第一个灯珠设置为绿色，第二个灯珠为白色，第三个灯珠为蓝色，那么三组RGB为：

【0，255，0】【255，255，255】【0，0，255】。于是，72位二进制为：

0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 1111 1111

在发送的时候，这72位是连续发送的，中间不需要延时，发完后把电平拉低，50 us后WS28XX就会认为你已经发完数据。

 

 正如你所看到的，WS28XX 的通信协议比较简单。但是，问题出在它的时间很短。你如果纯手动写代码来改变电平的高低，要求程序有很高的性能。低配的单片机可能不够快，像树莓派这样的开发板，虽然处理器肯定比单片机快，但是代码传递到系统驱动，再由驱动传到底层硬件。而且每次切换电平需要来回两次通信，花的时间太长，都有可能超出 1.25 us 的周期。

所以，一般不采取直接写GPIO电平的方式通信，而是借助硬件上所支持的协议。能够做这事的硬件协议有俩：

1、PWM。这个估计大家能理解，前面老周说要记住那个通信频率，现在用上了。把PWM频率设为 800 KHz，然后一个周期的时长就是 1.25 us。最后你一定猜到了，发送1时，高电平持续0.85 us，占空比 68%；发送0时，高电平持续0.4 us，占空比 32%。于是呢，不断地改变占空比，就能给WS28XX发信号。许多方案是和DMA一起使用的，就是为了提高速度。.NET Iot 封装的 PWM 不支持 DMA 方式，因此这个方案跳过。

2、SPI，这个方案是目前最优秀方案。.NET Iot 封装的库也是采用 SPI 协议。这是个巧妙利用，将SPI的 MOSI 口与灯带的 Din 连接，让 SPI 时序来控制灯珠。

为啥不用 IIC （I2C）呢？因为 IIC 要从机地址啊，我们又不是真的使用 IIC 设备，所以这里不适合。根据官方的示例，使用SPI时要设置以下几个参数：

a、速率 2400 KHz，正好是 800 K 的三倍。于是乎，SPI 中 3 个二进制位对应WS28XX中 1 个二进制位。要发送 1 ，SPI 写入二进制 110；要发送 0 ，SPI 写入二进制 100。一个灯珠的数据是3字节24位，那么 SPI 就得写入72位（9个字节）。

 b、SPI 模式选择 Mode0。

c、数据长度为8位。

因为树莓派是支持硬件 SPI 的，所以 SPI 方案是没有问题的。若开发板没有硬件 SPI（靠软件模拟），就不能使用SPI方案了，速度跟不上。

 

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知道原理后，咱们可以动手做了。

第1步，引用 Iot.Device.Bindings 包（Nuget），依赖包 System.Device.Gpio 会自动引入，所以不用管它。

第2步，using 以下命名空间：

using System.Device.Spi;
using System.Drawing;
using Iot.Device.Graphics;
using Iot.Device.Ws28xx;

第3步，初始化 SpiDevice 对象。

SpiConnectionSettings setting = new(0)
{
    Mode = SpiMode.Mode0,
    ClockFrequency = 2400_000,  //注意速率
    DataBitLength = 8
};

using SpiDevice spidev = SpiDevice.Create(setting);

把 ClockFrequency 设置为 2400,000 hz，原因前面解释过。

第4步，老周买的灯带是 WS2812B 芯片的，所以，实例化 WS28XX 时用 Ws2812b 类，大部分灯带都是这个。

// 30表示使用30个灯珠，这个按实际来传值，要用到50个灯珠，就传50
const int LED_NUM = 30;
Ws28xx leds = new Ws2812b(spidev, LED_NUM);

老周现用来测试的灯带是五米长的，150 个灯，但为了省电，只选择了 30 个灯做实验，你可以根据实际情况改代码。咱们这里用的灯带，所以只考虑宽度，高度忽略；如果用的是点阵屏，则要考虑高度，即几行几列。

 

第5步，准备七种常用颜色，待会咱们做色彩轮换效果。

Color[] colors =
{
    Color.Blue,         // 蓝色
    Color.Yellow,       // 黄色
    Color.White,        // 白色
    Color.Red,          // 红色
    Color.Green,        // 绿色
    Color.Pink,         // 粉色
    Color.Orange        // 橙色
};

 

第6步，色彩轮换，七种颜色轮着显示。

// Color数组中正在使用的索引
int theIndex = 0;

// 进入循环，开始溜灯
while (true)
{
    // 当表示索引的值超出数组范围后，重回0
    if (theIndex > colors.Length - 1)
    {
        theIndex = 0;
    }
    // 获取位图对象
    BitmapImage image = leds.Image;
    // 循环修改每个灯珠的颜色
    for (int x = 0; x < LED_NUM; x++)
    {
        // 更新像素点（对应一个灯珠）
        image.SetPixel(x, 0, colors[theIndex]);
        // 调用更新，才会刷新灯带显示
        leds.Update();
        Thread.Sleep(10);
    }
    theIndex++;
    Thread.Sleep(1000);
}

可以把一个灯珠视为一个像素，先从 Image 属性中获得对 BitmapImage 对象的引用，然后用 SetPixel 方法来设置每个灯的颜色。这里因为用的是灯带，所以 y 坐标都是 0，仅改变 x 坐标上的值。

修改完颜色后，如果想灯珠马上更新，请调用 Update 方法。

最后，强调一下：接线时，树莓派的 MOSI 接灯带的数据接口（Din 或 Di）。

 

 如果SPI不能用，请执行 sudo raspi-config，然后进入“Interface Options”，确认 SPI 总线启用。

 

 看看最终效果。

【补充】如果出现程序运行几秒钟就“卡死”的情况，那是SPI被系统降频了所致。若遇到此问题，可以在 config.txt 文件中修改 GPU 超频参数。

sudo nano /boot/config.txt

加上这两行：

core_freq=250
core_freq_min=250

或者

core_freq=500
core_freq_min=250

这样配置后，至少保证了 GPU 内核在空闲时的频率不低于 250 MHz。

 

除了变色、流水，还有比较常用的特效是颜色渐变。颜色渐变算法我们可以自己写，老周会在下一篇水文中演示颜色渐变效果。