1. 简述
以前尝试使用过STC15和STM32来驱动WS2812灯珠，在STM32上能比较好的驱动多个灯珠，但在STC15上确很难正常驱动，在网上看到许多人驱动WS2812时超级注重还原数据手册上所描述的波形参数，当时我也时尽力去还原手册上的波形，这个方法在STM32上是可行的，但在STC51 MCU上却失败了。
最近在网上找资料时，受到一篇文章的启发，用另一种思路来驱动WS2812，就重新拿起来玩玩，于是有了本文。那篇文章链接我已经找不到了，目前将我所用的方法跟大家分享一下，大家也可以测试下这个驱动方法是否能在你的MCU以及灯珠上使用。
2. WS2812驱动信号说明
2.1 手册上的信号说明
如图，这是网上最容易找到的WS2812信号资料说明，这里的说明对每个Bit都有严格的时序要求。
但实际测试时，发现即使使用不符合这个表要求的时序也是可以正常驱动WS2812的，如下图就是一个能正常驱动WS2812信号中断其中一个bit，这个信号发送的是0，高电平宽度是180ns，并且他与下一个bit的低电平时长差不多接近2us了。
请看下图，这是RGB每个字节之间的间断时间，可以发现时间已经超过5us了，但此时WS2812任然能够正确解析信号，信号已经完全超出手册定义的范围，为什么WS2812还能正常工作？
2.2 实际信号工作方式推测
我们推测组成数据信号的关键不是PWM的占空比，而是PWM高电平脉冲的宽度。
这是另一份WS2812灯珠的数据手册，这个手册换了一种描述信号的方法，从图可以看出，只要高电平时间在220~380ns之间就认为是0码，580ns~1us之间则认为是1码，这里我们猜测380ns与580ns的 480ns，就是WS2812判断0 1码的标准。
换句话说，只要高电平时间<480ns，WS2812就会读到0码；高电平脉冲>480ns，2812就会读到一个1码，而低电平时长对01码的识别没有太大影响(当然低电平时间不能超过Reset码的时间)，这样看来，我们只要把握好每个信号的高电平宽度即可，这个要求对于目前的1T内核的8051MCU还是可以做到的。
3. 程序测试
3.1 测试环境介绍
MCU: CH552T@24MHz
灯珠：淘宝购买的WS2812灯条，上有8颗串联
使用MCU的P1.3引脚输出信号来驱动WS2812，这里将不再赘述如何使用CH552T，这是一颗可以直接使用USB烧录程序的8051内核芯片，请百度查找资料，下图的最小系统板已在立创EDA开源，有兴趣的可以去看看 – 【开源链接】。
注意：如果你的单片机主频比较低，或者指令周期太多是不行的，本次程序中关键是SETB和CLRB两条指令，我这边测试CH552T的这两条指令执行时间大致是80ns，低于480ns所以满足要求，我推测12MHz主频应该也是能跑的。
3.2 编写最基本的代码，点亮第一个灯
这里我们抓住一个重点，严格控制高电平的脉宽就可以正确传输数据，在高电平期间，我们要保证其时间的准确，在低电平期间，我们可以判断即将传输的数据是0码还是1码，或者做一些其他耗时的运算调用函数等操作。
经过测试outPin = 1这行代码，会被编译成SETB指令，而outPin = 0则会被编译成CLRB指令，这两条指令的执行时间都是大致80ns，基于这个我们就可以生成准确高电平脉冲了(注意：过程中不能被中断)。
在WS2812_WriteByte(unsigned char dat)函数中，我们读取输入数据的每一个bit，并输出对应的高电平脉冲信号，低电平延迟则由数据移位和循环等操作产生，因此我没有给低电平期间增加额外的延迟。
接下来我们在main()函数中，第一复位总线，然后连续发送3个Byte的数据，这样就完成了写入一个灯的数据过程。
#include "ch554.h"
#include "Debug.h"
#include "GPIO.h"
sbit outPin = P1^3;
//功能：产生一个低电平复位信号给WS2812
void WS2812_Reset(void)
{
int i = 200;
while(i--)
outPin = 0; //这里具体时间没有测试，大于100us应该就可以，请自行调试
}
//功能：给WS2812发送一个字节数据
void WS2812_WriteByte(unsigned char dat)
{
char i = 8;
while(i--)
{
//产生脉冲时序部分，具体执行的代码需要根据您使用的单片机而定
//我这里使用的CH552T@24MHz，执行一次SETB或CLRB指令大致耗时80ns，我按照这个特性，写出了下面的时序用于产生0码和1码
//输出在低电平期间，则进行其他处理，如循环，数据移位等
if(dat & 0x80)
{
//Write Bit 1
outPin = 1; //这里多次调用SETB指令来达到延迟的目的，产生一个大致800ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
else
{
//Write Bit 0
outPin = 1; //这里产生一个大致180ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
dat <<= 1;
}
}
void main(void)
{
CfgFsys(); //这是官方提供库"Debug.C"中的函数，用于初始化时钟信号，请将"Debug.h"中的"FREQ_SYS = 12000000"改为"FREQ_SYS = 24000000", 使用24M主频
Port1Cfg(1, 3); //设置P1.3口为推挽输出
WS2812_Reset();
WS2812_WriteByte(0xff); //Green
WS2812_WriteByte(0xff); //Red
WS2812_WriteByte(0xff); //Blue
while(1);
return;
}
下载程序，复位运行，您就可以看到第一颗WS2812被点亮了，发出耀眼的白光。
3.3 接下来，点亮8个灯
我们改写main()中的代码，让3个颜色的数据重复传输8次，您可以看到，所有灯都被点亮了。
void main(void)
{
char i;
CfgFsys(); //这是官方提供库"Debug.C"中的函数，用于初始化时钟信号，请将"Debug.h"中的"FREQ_SYS = 12000000"改为"FREQ_SYS = 24000000", 使用24M主频
Port1Cfg(1, 3); //设置P1.3口为推挽输出
WS2812_Reset();
for(i=0; i<8; i++)
{
WS2812_WriteByte(0xff); //Green
WS2812_WriteByte(0xff); //Red
WS2812_WriteByte(0xff); //Blue
}
while(1);
return;
}
3.4 接下来，按数组中的定义的颜色点亮灯
我们增加一个叫WS2812_Color_t的结构体，用于表明一盏灯的颜色，方便存储数据，内部有三个变量Red Green Blue，设置数值0则该颜色为最低亮度，255为最高亮度，128则是中等亮度。
然后编写函数WS2812_WriteColors(WS2812_Color_t *pColor, int num)，将每颗灯的颜色数据一次性发送出去，下载程序复位后，您可以看到每个灯显示的颜色都不一样，您可以自行修testColorTable[8]数组中的数值，以改变每颗灯珠的颜色以及亮度。
#include "ch554.h"
#include "Debug.h"
#include "GPIO.h"
sbit outPin = P1^3;
//定义一个结构体，用于表明一个灯的颜色数据
typedef struct{
unsigned char red;
unsigned char green;
unsigned char blue;
}WS2812_Color_t;
//功能：产生一个低电平复位信号给WS2812
void WS2812_Reset(void)
{
int i = 200;
while(i--)
outPin = 0; //这里具体时间没有测试，大于100us应该就可以，请自行调试
}
//功能：给WS2812发送一个字节数据
void WS2812_WriteByte(unsigned char dat)
{
char i = 8;
while(i--)
{
//产生脉冲时序部分，具体执行的代码需要根据您使用的单片机而定
//我这里使用的CH552T@24MHz，执行一次SETB或CLRB指令大致耗时80ns，我按照这个特性，写出了下面的时序用于产生0码和1码
//输出在低电平期间，则进行其他处理，如循环，数据移位等
if(dat & 0x80)
{
//Write Bit 1
outPin = 1; //这里多次调用SETB指令来达到延迟的目的，产生一个大致800ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
else
{
//Write Bit 0
outPin = 1; //这里产生一个大致180ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
dat <<= 1;
}
}
//功能：按照颜色数据，传输一个灯的颜色数据
//参数：*pColor 请输入存放颜色数据的地址（灯颜色数据地址）
void WS2812_WriteColor(WS2812_Color_t *pColor)
{
WS2812_WriteByte(pColor[0].green);
WS2812_WriteByte(pColor[0].red);
WS2812_WriteByte(pColor[0].blue);
}
//功能：按照颜色数据，一次性传输多个灯的颜色数据
//参数：*pColor 请输入存放颜色数据的地址（灯颜色数据地址）
// num 颜色数据长度，例如要点亮1个灯，输入1
void WS2812_WriteColors(WS2812_Color_t *pColor, int num)
{
while(num--)
WS2812_WriteColor(pColor++);
}
void main(void)
{
//定义每个灯的颜色值，存储在Flash中
WS2812_Color_t code testColorTable[8] = {
{255, 0, 0},
{ 0, 255, 0},
{ 0, 0, 255},
{255, 255, 0},
{ 0, 255, 255},
{255, 0, 255},
{128, 255, 255},
{255, 128, 255},
};
CfgFsys(); //这是官方提供库"Debug.C"中的函数，用于初始化时钟信号，请将"Debug.h"中的"FREQ_SYS = 12000000"改为"FREQ_SYS = 24000000", 使用24M主频
Port1Cfg(1, 3); //设置P1.3口为推挽输出
WS2812_Reset();
WS2812_WriteColors(testColorTable, 8); //写出数据，点亮8个灯
while(1);
return;
}
3.5 最后，我们来做渐变流彩灯效果
在这个版本里，增加了一个函数用于生成连续的色彩变化，当8个灯的颜色相距一段距离，然后依次点亮，行程了流彩灯的效果。
#include "ch554.h"
#include "Debug.h"
#include "GPIO.h"
sbit outPin = P1^3;
//定义一个结构体，用于表明一个灯的颜色数据
typedef struct{
unsigned char red;
unsigned char green;
unsigned char blue;
}WS2812_Color_t;
//功能：产生一个低电平复位信号给WS2812
void WS2812_Reset(void)
{
int i = 200;
while(i--)
outPin = 0; //这里具体时间没有测试，大于100us应该就可以，请自行调试
}
//功能：给WS2812发送一个字节数据
void WS2812_WriteByte(unsigned char dat)
{
char i = 8;
while(i--)
{
//产生脉冲时序部分，具体执行的代码需要根据您使用的单片机而定
//我这里使用的CH552T@24MHz，执行一次SETB或CLRB指令大致耗时80ns，我按照这个特性，写出了下面的时序用于产生0码和1码
//输出在低电平期间，则进行其他处理，如循环，数据移位等
if(dat & 0x80)
{
//Write Bit 1
outPin = 1; //这里多次调用SETB指令来达到延迟的目的，产生一个大致800ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
else
{
//Write Bit 0
outPin = 1; //这里产生一个大致180ns的高电平脉冲
outPin = 1;
outPin = 1;
outPin = 0;
}
dat <<= 1;
}
}
//功能：按照颜色数据，传输一个灯的颜色数据
void WS2812_WriteColor(WS2812_Color_t *pColor)
{
WS2812_WriteByte(pColor[0].green);
WS2812_WriteByte(pColor[0].red);
WS2812_WriteByte(pColor[0].blue);
}
//功能：按照颜色数据，一次性传输多个灯的颜色数据
//参数：*pColor 请输入存放颜色数据的地址（灯颜色数据地址）
// num 颜色数据长度，例如要点亮1个灯，输入1
void WS2812_WriteColors(WS2812_Color_t *pColor, int num)
{
while(num--)
WS2812_WriteColor(pColor++);
}
//根据输入index, 取一个颜色，
//参数：*pColor 请输入存放颜色数据的地址（灯颜色数据地址）
// cnt 颜色索引，输入不同值会得到不同的颜色输出，输入范围：0~767
void getColors(WS2812_Color_t *pColor, unsigned int index)
{
//这段代码实则是根据输入数值生成颜色，2个颜色之间此消彼长地变化
if(index <= 255)
{
pColor[0].red = index;
pColor[0].green = 0;
pColor[0].blue = 255-index;
}
else if(index <= 511)
{
pColor[0].red = 511 - index;
pColor[0].green = index - 256;
pColor[0].blue = 0;
}
else if(index <= 767)
{
pColor[0].red = 0;
pColor[0].green = 767 - index;
pColor[0].blue = index - 512;
}
else
{
//不处理
}
}
//根据输入数值更新8个灯的颜色数据
//参数：*pColor 请输入存放颜色数据的地址（灯颜色数据地址）
// cnt 颜色索引，输入不同值会得到不同的颜色输出，输入范围：0~767
void ColorsUpdata_8Led(WS2812_Color_t *pColor, unsigned int inIndex)
{
char i;
if(inIndex > 767)
inIndex = 767;
for(i=0; i<8; i++)
{
int index;
//这段代码中的数字(60)，决定了每个灯之间的颜色差异(颜色渐变的缓和度，可自行测试, 如果设置为0，则失去流水灯效果)
index = inIndex + (60) * i;
if(index >= 768)
index -= 768;
getColors(pColor + i, index);
}
}
void main(void)
{
WS2812_Color_t xdata ColorTable[8]; //用于存储8个灯的颜色数据
CfgFsys(); //这是官方提供库"Debug.C"中的函数，用于初始化时钟信号，请将"Debug.h"中的"FREQ_SYS = 12000000"改为"FREQ_SYS = 24000000", 使用24M主频
Port1Cfg(1, 3); //设置P1.3口为推挽输出
while(1)
{
static unsigned int colorIndex = 0;
ColorsUpdata_8Led(ColorTable, colorIndex); //根据Index，获取当前的颜色数据
WS2812_Reset();
WS2812_WriteColors(ColorTable, 8); //写出8个灯的数据
//更新颜色Index
colorIndex++;
if(colorIndex >= 768)
colorIndex = 0;
mDelaymS(5); //延迟5ms，更改这个数可以加快(减小数值)或减慢(加大数值)颜色变化的速度
}
return;
}
3.6 实测波形数据
下面示波器所测的波形都是采集自上述测试环境，运行的是渐变流彩灯程序
4. 总结
4.1 注意事项
在本程序里，WS2812相关函数发送数据中不可被打断，否则可能导致数据传输失败，所以如果您有使用中断，请在发送数据期间暂时关闭中断。
...
WS2812_Reset();
EA = 0;
WS2812_WriteColors(ColorTable, 8); //写出8个灯的数据
EA = 1;
...
4.2 真总结
使用上述方法，成功地在CH552T平台驱动了WS2812灯珠，程序工作稳定表现良好，并且驱动灯珠的数量可以继续扩充，上限就看您的程序结构和存储空间大小。
将驱动的要点总结一下：
- 低电平大于100us，总线复位
（不同灯珠这个时间可能不同） - 高电平脉冲时间大于480ns为
1码，实际发送750ns - 高电平脉冲时间小于480ns为
0码，实际发送250ns - 低电平时间可以延长，不会导致通讯失败，但不超过总线复位时间
（这个是猜测没有验证，但拖长几个微秒是已确定没有问题的）
抓住以上几个要点，就可以轻松驱动WS2812灯珠啦。
这里也分享一下我测试用的程序工程：百度云 (提取码: s66y)
© 版权声明
文章版权归作者所有，未经允许请勿转载。
相关文章
暂无评论...
