STM32定时器驱动WS2812

STM32定时器驱动WS2812

最近在学STM32F103的定时器的标准库驱动，在学到定时器的比较输出功能时发现它可以和DMA配合一起使用产生一连串占空比各不同的PWM波，于是我立刻想到用这个东西来驱动WS2812，手边正好有一串30颗灯珠的WS2812灯带。

WS2812的通信协议

• 数据格式

  WS2812是一种采用单线通信方式的全彩灯珠，它只需要一根线就可以与控制器进行通信。它内置R、G、B三种颜色的光源，每种颜色通过一个字节的数据进行控制，所以每颗灯珠都需要3个字节的数据来控制颜色。数据是通过它的DIN引脚输入，下图是它的数据传输格式：

  

  可以看到，它的数据格式是高位在前。并且值得注意的是，虽然我们习惯叫它“RGB灯”，但它的通信格式其实是“GRB”，也就是“G”的数据在第一字节，后面才是“R”和“B”的数据，这对于我们写驱动非常重要。

• 级联方式

  WS2812还支持级联，就是将前面一颗灯珠的DOUT接到后一颗的DIN引脚，这样就可以通过第一颗灯珠的DIN引脚控制这一整串灯条。

  

  例如：你要控制的灯带上有3颗灯珠，那么你就要通过第一颗灯珠的DIN引脚发送9字节的数据(每个灯珠需要3字节的数据)，当第1颗灯珠接收到这一连串的数据后它会保存首3个字节的数据用作控制它的颜色，然后将剩下6个字节的数据通过它的DOUT引脚转发出去，同样地，第2颗灯珠会将这6字节数据的前3字节保存用作控制自己的颜色，然后将剩下3字节的数据通过DOUT转发给下一颗灯珠...

  事实上，当你通过第一颗灯珠的DIN引脚将9字节的数据全部发送出去之后，灯珠并不会立刻将颜色刷新到当前的显示上，因为它还需要一个RESET信号，这个RESET信号是通过将信号线置于低电平保持至少80us的时间表示的。也就是说当你把数据全部发送出去之后需要立刻将信号线拉低至少80us之后灯串才会“响应”你的这些数据。如果你是通过PWM进行控制的话就要格外注意这一点。例如如果你通过PWM将数据发送出去后发现灯的颜色并没有任何变化，可能并不是你的周期和占空比有问题，有可能仅仅是你的PWM波在数据发送结束后还在不停变化着，解决方法就是在数据发送完成后再将PWM的占空比调整为0。

• 编码方式

  下图是它的数据编码方式，可以看到bit0码是通过高电平0.295us+低电平0.595us的方式进行表示，而bit1码刚好相反，实际操作中为了便于计算，我们可以取0.3us和0.6us。最后就是RESET码是通过至少80us的低电平表示的。
  
  

程序构建思路

• PWM的参数

  从上面的通信协议可以看出来无论是bit0码还是bit1码，周期都在1us左右，区别仅仅是占空比的不同。于是就可以通过周期不变的PWM波来表示，PWM波的频率设置为1MHz，周期刚好是1us。当要表示bit0码时可将占空比设置在30%左右，这样一个PWM波就是高电平0.3us+低电平0.7us，对应于数据bit0码的范围之内；要表示bit1码时可将占空比设置在60%左右，这样一个PWM波就是高电平0.6us+低电平0.4us，对应于数据bit1码的范围之内。
  

• 缓冲区的设置

  因为是采用DMA自动发送的方案，所以需要在程序中使用一个缓存区用来保存每个位对应的PWM占空比：

  #define MAX_QUANTITY_GRAIN        30 //灯的最大数量
  static uint8_t WSData_Buf[MAX_QUANTITY_GRAIN*24+1];
  

  这里每个位的占空比用一个字节来表示。MAX_QUANTITY_GRAIN是一个宏，定义的是灯的最大数量，由于我使用的灯带有30颗灯珠，于是我这里定义的值就是30。所以这个缓存数组的长度就是30*24+1=721字节的长度：30对应于30颗灯珠，24对应于一颗灯珠需要24位进行控制，那后面的+1是什么呢？别忘记了，当你把一帧数据发送出去之后，后面还需要跟上一个RESET信号，而这个信号是通过将信号线拉低至少80us来表示的，也就是说缓冲区“多余”的那最后一个字节是用来放RESET信号的，对应就是0%的占空比。

定时器的配置

• 配置时基单元

  我使用通用定时器TIM4的通道1配合DMA来输出PWM波。首先要做的就是配置定时器的频率。芯片的工作频率是72MHz，经过计算我选择将PSC预分频器的分频系数设置为(12-1)，计数器的自动重装载寄存器的值设置为(6-1)，经过这样的分频最终PWM的输出频率就是72MHz/12/6 = 1MHz，周期刚好是1us，精度值为1/6 us约为0.16us。

  TIM_PrescalerConfig(TIM4, 12-1, TIM_PSCReloadMode_Immediate);//设置预分频器
  TIM_CounterModeConfig(TIM4, TIM_CounterMode_Up);//计数模式
  TIM_SetAutoreload(TIM4, 6-1);//自动重装载值
  TIM_SetClockDivision(TIM4, TIM_CKD_DIV1);//时钟滤波器值
  

  经过这样配置，当把捕获比较寄存器CCR1的值设置为4时，一个PWM波就是高电平0.64us+低电平0.36us，正好对应于数据bit1；当把捕获比较寄存器CCR1的值设置为2时，一个PWM波就是高电平0.32us+低电平0.68us，正好对应于数据bit0。当然，我们采用的是DMA的方式，所以后面不需要自己去调用TIM_SetCompare1()手动填写捕获比较寄存器CCR，而是通过DMA自动填写它的值。时基单元配置好后接下来就是要配置输出通道和DMA了。

• 配置输出通道

  TIM_SetCompare1(TIM4, 0);//设置比较值
  TIM_OC1PolarityConfig(TIM4, TIM_OCPolarity_High);//设置输出极性
  TIM_SelectOCxM(TIM4, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);//设置输出通道模式
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);//使能CCR寄存器的影子寄存器
  TIM_CCxCmd(TIM4, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Enable);//使能输出通道
  

  一开始我并没有特地去调用函数TIM_OC1PreloadConfig()使能CCR寄存器的影子寄存器，但后面测试的时候发现一个很大的问题，当我往灯珠发送数据RGB(255,0,0)时，灯珠能够显示红色，但发送数据RGB(128,0,0)时灯珠却不显示任何颜色，于是我拿出示波器开始观察波形。

  

  这是在发送RGB(255,0,0)时从示波器观察到的数据，可以看到G数据的高7位数据无论是周期还是占空比都很正常，周期都是1us，高电平的时间都在0.3us左右。但看到后面就有点奇怪了，G数据的bit0和R数据的bit7似乎有些“纠缠不清”了，正常情况下G数据的bit0的PWM波周期应该和前面的一样都占满一整个格子的宽度(1us)，但现在却是和R数据的bit7一起”挤”在同一个格子里面，这就让我有些诧异了。

  这也正和前面灯珠颜色显示异常对上了，当写入RGB(255,0,0)时对应发送的二进制数据是“00000000’11111111’00000000”（别忘记灯的实际通信格式是GRB），从上面示波器的数据可以看到R数据的bit7周期是异常的，这会让WS2812无法正常识别出bit7的数据，但后面低7位的数据的周期是正常的，会被正常识别出来，这就会导致原本R=255但WS2812识别成了R=127，于是尽管数据识别出错但好歹还是能让红色的灯亮起来，顶多亮度不对罢了。但如果写入的数据是RGB(128,0,0)时，情况就有些麻烦了。RGB(128,0,0)对应的二进制数据是“00000000’10000000’00000000”，可以看出来，同样是把bit7丢掉，对于前面的数据顶多是亮度不对，但对于这串数据而言将是致命的破坏，此时WS2812将得到一连串的“0”，于是将没有任何一种颜色的灯会被点亮。

  从上面的分析我得到一个信息，那就是现在的PWM波在改变占空比的时候周期会短暂变短。一开始我怀疑是不是在写CCR寄存器时预分频寄存器的值也会被改变（毕竟提到周期有问题肯定第一时间想到预分频寄存器），但经过我的一系列排查最终打消了我这个想法。于是我又仔细捋了一下我所掌握的信息，最后怀疑是影子寄存器的问题，于是我立刻打开数据手册查看：
  
  

  我发现CCR寄存器的影子寄存器默认是不使能的，这也就意味写入CCR寄存器的数据会被立刻刷新进去，而不是等待此周期结束后的更新事件到来时再刷新。于是我在使能输出通道的语句
  TIM_CCxCmd(TIM4, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Enable);
  前面加了一句
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);
  用于使能CCR寄存器的影子寄存器，最后重新编译下载后问题立刻得到解决。

• 配置DMA

  配置DMA的代码比较常规，我就不贴出来了，有需要可以去看我上传的源代码。

最终效果

流水灯又愉快地转起来咯~

源代码结构

• 函数原型

  /*初始化相关外设*/
  void WS2812_Init(void);
  

  /*设置此次要控制的灯数（不能大于宏MAX_QUANTITY_GRAIN所定义的数量）*/
  void WS2812_SetQuantity(uint16_t quantity);
  

  /*往第ln颗灯填充rgb数据（从0开始编号，不能大于quantity-1）*/
  uint8_t WS2812_FullRGB(uint16_t ln, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b);
  

  /*对第lnBegin到第lnEnd颗灯填充rgb数据（从0开始编号，lnBegin不能大于lnEnd，lnBegin和lnEnd皆不能大于quantity-1）*/
  uint8_t WS2812_AreaFullRGB(uint16_t lnBegin, uint16_t lnEnd, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b);
  

  /*往第ln颗灯填充hsv数据（从0开始编号，不能大于quantity-1）*/
  uint8_t WS2812_FullHSV(uint16_t ln, double h, double s, double v);
  

  /*对第lnBegin到第lnEnd颗灯填充hsv数据（从0开始编号，lnBegin不能大于lnEnd，lnBegin和lnEnd皆不能大于quantity-1）*/
  uint8_t WS2812_AreaFullHSV(uint16_t lnBegin, uint16_t lnEnd, double h, double s, double v);
  

  /*将填充完的数据刷新到灯带中去*/
  uint8_t WS2812_Refresh(void);
  

• 使用方法

  1. 初始化时调用一次WS2812_Init()对外设进行配置，这个函数会自动将缓冲区所有数据设置为RGB(0,0,0)并刷新到灯带上。
  2. 准备发送一帧数据时先调用WS2812_SetQuantity()函数设置这一帧要控制的灯的数量；
  3. 再根据需要调用WS2812_FullRGB()、WS2812_FullHSV()、WS2812_AreaFullRGB()或WS2812_AreaFullHSV()对这一帧的缓存区进行数据填充；
  4. 最后调用WS2812_Refresh()函数将这一帧数据发送到WS2812中。

• 说明

  1. 上面有返回值的函数当返回值为非0时表示执行失败。
  2. WS2812.h文件中有一个宏“MAX_QUANTITY_GRAIN”是用来定义级联的WS2812数量的。
  3. 本库函数中是用TIM4的通道1配合DMA来实现控制的，如果你要换成别的通道或者是定时器的话也要记得根据下表把DMA相关的函数也重新更改一下。
     

源代码获取

WS2812库函数

• https://files.cnblogs.com/files/blogs/814108/ws2812.zip?t=1703925215&download=true

RGB与HSV互相转换库函数

• https://files.cnblogs.com/files/blogs/814108/RGBHSV.zip?t=1703925215&download=true

转载说明

• 本文为本人原创，转载时请注明出处及原作者：UENG。