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STM32+PWM+DMA驱动WS2812 —— 2024年9月24日

article 2024/11/17 14:43:06

一、项目简介

采用STM32f103C8t6单片机，使用HAL库编写。项目中针对初学者驱动WS2812时会遇到的一些问题，给出了解决方案。

二、ws2812驱动原理

WS2812采用单线归零码的通讯方式，即利用高低电平的持续时间来确定0和1。这种通信方式优点是只需要一根通信线，缺点是对通信的时序要求较高。

以官方数据手册的时序图为例，通信速率为800kbit/s，也就是PWM波的速率为800Kbit/s，每个PWM的周期为1.25微妙。PWM的一个周期即为一个数据帧，每个数据帧由一段高电平和一段低电平组成。下图为官方规定的数据传输时间：

T0H	0码，高电平时间	0.22 us~0.35 us
T0L	0码，低电平时间	0.58 us~1.0 us
T1H	1码，高电平时间	0.58 us~1.0 us
T1L	1码，低电平时间	0.22 us~0.42 us
RES	帧间隔，低电平时间	50us以上

也就是说：一个1码，由2/3左右的高电平和 1/3左右的低电平组成。

一个0码，由1/3左右的高电平和 2/3左右的低电平组成。

若定时器的时钟频率为72MHz，那么预分频值设置为0，比较值设置为89,这样产生的PWM波的频率就为800KHz，周期为1.25us。要发送1码时，设置占空比为60。要发送0码时，设置占空比为29。

每个WS2812需要用24bit的数据来控制，当n个ws2812进行级联的时候，第一个灯会将第一个24bit的数据拦截，将后面的数据进行转发。第二个灯又会拦截第二个24bit的数据，将后面的数据进行转发。后面的逻辑也是一样，数据每经过一个灯，数据的前24bit就会被拦截下来，作为这个灯的显示内容。数据传输方法如下图所示：

代码编写逻辑：初始化的时候，需生成一个显存数组，由DMA将数组中的内容实时搬运到定时器的比较寄存器中，DMA要开启循环模式。之后我们只需要更新显存数组中的数据，WS2812的显示内容就会被实时更新。

三、Cube MX 生成底层代码

1、配置Debug的模式

2、配置外部晶振

3、配置时钟

4、配置定时器

5、配置定时器的DMA

6、生成代码

四、代码编写

1、下面ws2812.c的代码

#include "ws2812.h"

//显存数组，长度为 灯的数量*24+复位周期
uint16_t WS2812_RGB_Buff[LED_NUM*DATA_LEN+WS2812_RST_NUM] = {0}; 

/**
 * 函数：WS2812单灯设置函数
 * 参数：num:灯的位置，R、G、B分别为三个颜色通道的亮度，最大值为255
 * 作用：单独设置每一个WS2812的颜色
***/
void WS2812_Set(uint16_t num,uint8_t R,uint8_t G,uint8_t B)
{
  uint32_t indexx=(num*(3*8));
  for (uint8_t i = 0;i < 8;i++)
  {
	//填充数组
	WS2812_RGB_Buff[indexx+i]      = (G << i) & (0x80)?WS_H:WS_L;
	WS2812_RGB_Buff[indexx+i + 8]  = (R << i) & (0x80)?WS_H:WS_L;
	WS2812_RGB_Buff[indexx+i + 16] = (B << i) & (0x80)?WS_H:WS_L;
  }
}

//WS2812初始化函数
void WS2812_Init()
{
	//设置关闭所有灯
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
	WS2812_Set(i,0,20,0);
  }
  //作用：调用DMA将显存中的内容实时搬运至定时器的比较寄存器
  HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2,TIM_CHANNEL_1,(uint32_t *)WS2812_RGB_Buff,sizeof(WS2812_RGB_Buff)/sizeof(uint16_t)); 
}

2、下面为ws2812.h的代码

#include "main.h"
#include "tim.h"

#define WS_H           60   // 1 码相对计数值
#define WS_L           29   // 0 码相对计数值
#define WS_REST        40   // 复位信号脉冲数量
#define LED_NUM         8   // WS2812灯个数
#define DATA_LEN       24   // WS2812数据长度，单个需要24个字节
#define WS2812_RST_NUM 50   // 官方复位时间为50us（40个周期），保险起见使用50个周期

void WS2812_Init(void);
void WS2812_Set(uint16_t num,uint8_t R,uint8_t G,uint8_t B);

3.下面为main.c中调用的代码，效果为流水灯

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  WS2812_Init();
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	//效果一，流水灯
	for(int i=0;i<8;i++)
	{
		HAL_Delay(100);
		WS2812_Set(i,2*(i+1),4*(i+1),10*(i+1));
	}
	HAL_Delay(300);
	for(int i=0;i<8;i++)
	{
		WS2812_Set(i,0,0,0);
	}
	HAL_Delay(100);

	//效果二，跑马灯
//	for(int i=0;i<8;i++)
//	{
//		HAL_Delay(100);
//		WS2812_Set(i,0,20,0);
//		if(i==0) WS2812_Set(7,0,0,0);
//		else     WS2812_Set(i-1,0,0,0);	
//	}
		
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}