论如何使用WS2812以及类似灯珠

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描述

WS2812 LED灯珠，这是一种非常流行的可寻址RGB LED。每个WS2812 LED内部集成了控制电路，因此可以通过一个数据输入线来单独控制每一个LED的颜色和亮度。这种特性使得WS2812非常适合用来创建复杂的灯光效果和图案。

一、控制逻辑

WS2812 LED的控制逻辑是基于一种特定的数据协议，这种协议通过单线串行接口（通常称为“数据线”或“DIN”）来传输颜色信息。每个WS2812 LED都有一个内置的集成电路，能够解码从数据线上接收到的信号，并根据这些信号设置LED的颜色和亮度。

1、WS2812的数据协议

位时序：每个比特由高电平和低电平组成。

逻辑0：高电平持续约0.4微秒，然后是低电平持续约0.85微秒。

逻辑1：高电平持续约0.8微秒，然后是低电平持续约0.45微秒。

字节时序：每个LED需要24比特（3个字节）的数据，分别对应红色、绿色和蓝色通道。

数据格式为GRB（绿色、红色、蓝色），而不是常见的RGB。

帧时序：所有LED的数据连续发送，最后一个LED的数据之后需要有一个复位信号（至少50微秒的低电平）。

2、控制逻辑步骤

1、设置数据线为输出模式。

2、确保在开始发送数据之前，数据线处于低电平状态。

3、对于每个LED，依次发送24比特的数据（先绿色，后红色，最后蓝色）。

4、每个比特通过精确控制高电平和低电平的时间来表示逻辑0或逻辑1。

5、在所有LED的数据发送完毕后，发送一个至少50微秒的低电平信号，以触发所有LED更新其显示状态。

二、示例代码

为了方便使用，我使用51单片机进行模拟，并且举例了三种不同的控制逻辑。

1、使用“堆指令”方法进行模拟实现

这个比较简单，就不做过多介绍，直接贴代码。

#include < reg51.h >

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假设WS2812的数据线连接到了P1.0

void delay_us(unsigned int us) {
    unsigned char i;
    while (us--) {
        _nop_();  // 根据实际情况调整NOP的数量
        for (i = 0; i < 120; i++) {  // 大约1微秒的延时
            _nop_();
        }
    }
}

void write_bit(unsigned char bit) {
    if (bit) {  // 写逻辑1
        WS2812_PIN = 1;
        delay_us(800);  // 高电平约0.8微秒
        WS2812_PIN = 0;
        delay_us(450);  // 低电平约0.45微秒
    } else {  // 写逻辑0
        WS2812_PIN = 1;
        delay_us(400);  // 高电平约0.4微秒
        WS2812_PIN = 0;
        delay_us(850);  // 低电平约0.85微秒
    }
}

void send_color(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue) {
    unsigned char i;
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((red > > i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((green > > i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((blue > > i) & 1);
    }
}

void main() {
    WS2812_PIN = 0;  // 初始化引脚为低电平
    while (1) {
        send_color(255, 0, 0);  // 发送红色
        delay_ms(500);  // 延时500毫秒
        send_color(0, 255, 0);  // 发送绿色
        delay_ms(500);
        send_color(0, 0, 255);  // 发送蓝色
        delay_ms(500);
    }
}

2、PWM功能来模拟时序

PWM功能来模拟WS2812 LED的时序信号是一个比较复杂的过程，因为需要非常精确地控制高电平和低电平的时间。WS2812 LED对数据传输的时序要求非常严格，通常情况下直接使用PWM并不容易达到这样的精度。不过，如果你确实希望尝试这种方法，可以考虑以下步骤：

① PWM配置

选择合适的定时器：51单片机通常有多个定时器（如Timer0, Timer1），你需要选择一个定时器并配置其工作在PWM模式。

设置PWM频率：根据你的具体需求，设置合适的PWM频率。对于WS2812来说，通常需要在几百kHz到几MHz之间。

②生成精确的时序

调整占空比：通过调整PWM的占空比来近似WS2812所需的高电平和低电平时间。例如，逻辑0需要大约0.4微秒的高电平时间和0.85微秒的低电平时间；逻辑1需要大约0.8微秒的高电平时间和0.45微秒的低电平时间。

中断处理：利用定时器中断来更新PWM的占空比，确保每个位都能被准确发送。

#include < reg51.h >

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假设WS2812的数据线连接到了P1.0

void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01;  // 设置Timer0为模式1（16位计数器）
    TH0 = (65536 - 500) / 256;  // 设置初值，产生约200kHz的PWM
    TL0 = (65536 - 500) % 256;
    ET0 = 1;  // 使能Timer0中断
    EA = 1;   // 开启全局中断
    TR0 = 1;  // 启动Timer0
}

void write_bit(unsigned char bit) {
    if (bit) {  // 写逻辑1
        TH0 = (65536 - 800) / 256;  // 高电平约0.8微秒
        TL0 = (65536 - 800) % 256;
        while (!TF0);  // 等待中断标志
        TF0 = 0;  // 清除中断标志
        TH0 = (65536 - 450) / 256;  // 低电平约0.45微秒
        TL0 = (65536 - 450) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
    } else {  // 写逻辑0
        TH0 = (65536 - 400) / 256;  // 高电平约0.4微秒
        TL0 = (65536 - 400) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
        TH0 = (65536 - 850) / 256;  // 低电平约0.85微秒
        TL0 = (65536 - 850) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
    }
}

void send_color(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue) {
    unsigned char i;
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((red > > i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((green > > i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((blue > > i) & 1);
    }
}

void main() {
    Timer0_Init();  // 初始化定时器
    while (1) {
        send_color(255, 0, 0);  // 发送红色
        delay_ms(500);  // 延时500毫秒
        send_color(0, 255, 0);  // 发送绿色
        delay_ms(500);
        send_color(0, 0, 255);  // 发送蓝色
        delay_ms(500);
    }
}

注意事项

时钟频率：确保你的系统时钟频率足够高，能够支持所需的时间分辨率。

延时函数：delay_ms和_nop_等延时函数需要根据实际情况进行调整。

中断处理：上述代码中没有包含中断服务程序，实际上你可能需要在中断服务程序中处理PWM的占空比变化

3、使用硬件spi模拟时序

为什么可以考虑使用硬件SPI呢？

①高速度：硬件SPI通常比软件模拟的串行通信更快。

②减轻CPU负担：硬件SPI由专用硬件控制，可以减少CPU的负担，使其能够执行其他任务。

③稳定性：硬件SPI提供的信号更加稳定，不容易受到中断或其他因素的影响。

如何实现。

#include < reg51.h >

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假设WS2812的数据线连接到了P1.0

void SPI_Init() {
    SCON = 0x50;  // 设置为模式0，波特率设置为T1溢出率的1/12
    TMOD |= 0x20;  // 设置Timer1为模式2（8位自动重装）
    TH1 = 0xFD;  // 设置波特率为9600bps（具体值可能需要根据晶振频率调整）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;  // 启动Timer1
}

void SPI_WriteByte(unsigned char byte) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        TI = 1;  // 设置TI标志，准备发送
        while (!TI);  // 等待TI标志清零
        if (byte & 0x80) {
            SBUF = 0xFF;  // 发送逻辑1
        } else {
            SBUF = 0x00;  // 发送逻辑0
        }
        byte < <= 1;  // 移位
    }
}

void send_color(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue) {
    SPI_WriteByte(green);  // WS2812的GRB顺序
    SPI_WriteByte(red);
    SPI_WriteByte(blue);
}

void reset_signal() {
    WS2812_PIN = 0;  // 拉低数据线
    delay_us(50);  // 至少50微秒的低电平
    WS2812_PIN = 1;  // 拉高数据线
    delay_us(50);  // 至少50微秒的高电平
}

void main() {
    SPI_Init();  // 初始化SPI
    while (1) {
        send_color(255, 0, 0);  // 发送红色
        reset_signal();
        delay_ms(500);  // 延时500毫秒
        send_color(0, 255, 0);  // 发送绿色
        reset_signal();
        delay_ms(500);
        send_color(0, 0, 255);  // 发送蓝色
        reset_signal();
        delay_ms(500);
    }
}

注意事项

①时序调整：实际应用中，你可能需要根据具体的时钟频率和硬件特性调整SPI的配置和延时函数，以确保数据传输的准确性。

②复位信号：确保在数据发送完成后正确地发送复位信号，以便WS2812 LED更新显示。

③硬件限制：某些51单片机可能没有内置的SPI控制器，这种情况下你可能需要使用软件模拟SPI或者选择其他方法。

三、总结

通过上述三种方法，你可以根据具体的应用需求和硬件条件选择最适合的控制方式。每种方法都有其优缺点，选择时应综合考虑系统的性能要求、硬件资源以及开发复杂度。希望这些信息对你理解和实现WS2812 LED的控制有所帮助。

审核编辑黄宇

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