《STM32H7R7开发指南 V1.1 》第四十八章 WS2812B实验

正点原子运营

第四十八章 WS2812B实验

1）实验平台：正点原子STM32H7R7开发板

2）章节摘自【正点原子】STM32H7R7开发指南 V1.1

3）购买链接： https://detail.tmall.com/item.htm?id=820823382459

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32h7rx.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）正点原子STM32开发板技术交流群：756580169





本章，我们将介绍如何在STM32H7R7开发板上使用WS2812B来实现绚烂的灯光效果。WS2812是一种可编程的RGBLED灯，具有RGB显示效果，可显示的颜色数量为224种。
本章分为如下几个小节：
48.1 WS2812B简介
48.2 硬件设计
48.3 程序设计
48.4 下载验证

48.1 WS2812B介绍

48.1.1 WS2812B简介
WS2812B是一款单线传输三通道（RGB）驱动控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。产品内含有信号解码模块、数据缓冲器、内置恒流电路及RC振荡器；内部集成电流增益控制模块，CMOS制程，低压、低耗电；三通道恒流驱动器默认输出19mA，采用单线输出方式，串接各晶片之输出动作同步；上电默认不亮灯。
数据协议采用单极性归零码的通讯方式，单线传输LED驱动控制专用芯片，同时芯片内置的电流增益调节功能，可设置电流1.75mA~19mA，共16个电流增益等级；PWM信号刷新率高达4KHz，显示更趋细腻平滑，解决拍摄画面暗条纹问题，非常适合高速移动产品的使用。200us以上的复位时间，出现中断也不会引起误复位，可以支持更低频率、价格便宜的MCU。主要应用领域：消费类电子产品、LED全彩发光字灯串、电脑及周边设备、游戏设备以及各种电器设备。
WS2812B具有如下特点：
外观尺寸：2.0*1.8*0.8mm。
颜色：红光、绿光、蓝光。
胶体：无色透明。
EIA规范标准包装。
环保产品，符合ROHS要求。
适用于自动贴片机。
适用于红外线回流焊制程。
WS2812B的内部结构如下图所示：

图48.1.1.1 WS2812B内部框图

我们可以看到内部框架是比较简单的，通过4根线与单片机连接，包括：电源输入线、信号线和地线，具体如下表所示：

图48.1.1.1 引脚说明

48.1.2 WS2812B数据传输
WS2812B采用的数据通信协议是单极性归零码，每一个码元都必须有低电平。本协议的每个码元起始为高电平，高电平时间宽度决定“0”码或者“1”码。

图48.1.2.1 归零码数据通信协议图

上图是一个码元周期的时序波形图，每个阶段的数据传输时间如下表所示：

表48.1.2.1 数据传输时间表

我们写程序时，码元周期最低要求为1.2us。0码、1码的高电平时间需按照上表的规定范围，0码、1码的低电平时间要求小于20us。
另外，数据结构是24bit（3*8）灰度数据结构：高位在前，按照OUTR1/2/3的顺序发送，如下图所示：

图48.1.2.2 协议数据结构

连接方法如下图所示：

图48.1.2.3 连接方法

上图是各芯片的连接方法，接下来我们讲解一下数据的传输方法，各芯片输入数据流（以3颗芯片为例）如下图所示：

图48.1.2.4 数据传输方法

在上电复位以后，DIN端接受从控制器传输过来的数据，首先送过来的24bit数据被第一个芯片提取后，送到芯片内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过DOUT端口开始转发输出给下一个级联的芯片，每经过一个芯片的传输，信号减少24bit。其中，Trst复位时间要大于200us。采用自动整形转发技术，使得该芯片的级联个数不受信号传送的限制，仅受限信号传输速度要求。

48.2 硬件设计

1. 例程功能
板载的WS2812B（RGBLCD灯）10个灯依次显示同一个颜色，并且每2秒钟换一种颜色显示。通过按下按键KEY_UP，所有灯熄灭，之后重新开始颜色显示。本章实验我们使用两种不同的方式去实现以上描述的功能，一种是定时器+DMA的方式，另一种是IO模拟的方式。

2. 硬件资源
1）LED灯  
       LED0 – PD14
2 ) 独立按键  
       KEY0 – PE9
       KEY1 – PE8
       KEY2 –PE7
       KEY_UP –PC13
3）WS2812B –PB1

3. 原理图
我们主要来看看WS2812B和开发板的连接，如下图所示：

图48.2.1 WS2812B与开发板连接原理图

48.3 程序设计

48.3.1 程序解析

1. WS2812B驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。WS2812B驱动源码包括两个文件：ws2812b.c和ws2812b.h。
首先是ws2812b.h文件，我们把用到的引脚和RGBLED的 数据以及颜色值等等都用宏定义来表示，需要更换引脚或某些参数的数值时也可以通过修改宏实现快速移植，如下所示：

1. #define WS2812B_PORT                    GPIOB
   
2. #define WS2812B_PIN                     GPIO_PIN_1
   
3. #define WS2812B_GPIO_CLK_ENABLE()       do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PB口时钟使能 */
   
4. 
   
5. #define WS2812B(x)                      do{ x ? \
   
6.        HAL_GPIO_WritePin(WS2812B_PORT, WS2812B_PIN, GPIO_PIN_SET) :  \
   
7.        HAL_GPIO_WritePin(WS2812B_PORT, WS2812B_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
   
8.                                         }while(0)
   
9. /* RGBLED的数据相关宏定义 */
   
10. #define DELAY_15nS()         __NOP()                                    
    
11. /* 宏定义空指令的方法不好计算，只能大致计算，并且受编译器优化等级影响 */
    
12. #define DELAY_400nS()       for(uint16_t i = 0; i < 106; i++) __NOP()  
    
13. /* 400ns 约等于循环次数 * 2 * 1.67ns（一个时钟） + 44ns */                  
    
14. #define DELAY_800nS()       for(uint16_t i = 0; i < 225; i++) __NOP()   
    
15. /* 800ns */                                       
    
16. #define LED_NUM             10          /* 灯珠的个数 */
    
17. 
    
18. /* GRB888颜色值 */
    
19. #define GRB888_RED          0x00FF00        /* 红色 */
    
20. #define GRB888_GREEN        0xFF0000        /* 绿色 */
    
21. #define GRB888_BLUE         0x0000FF        /* 蓝色 */
    
22. #define GRB888_BLACK        0x000000        /* 黑色 */
    
23. #define GRB888_WHITE        0xFFFFFF        /* 白色 */
    
24. #define GRB888_YELLOW       0xFFFF00        /* 黄色 */
    
25. #define GRB888_IRED         0x5CCD5C        /* 浅红色 */
    
26. #define GRB888_ORANGE       0xA5FF00        /* 橙色 */
    
27. #define GRB888_PURPLE       0x008080        /* 紫色 */        
    
28. #define GRB888_PING         0xB6FFC1        /* 浅粉色 */
    
29. #define GRB888_CYAN         0xFF00FF        /* 青色 */
    
30. #define GRB888_PBLUE        0x80008C        /* 孔雀蓝 */
    
31. #define GRB888_VIOLET       0x008BFF        /* 紫罗兰 */

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ws2812b.c我们这里介绍用IO模拟的方法来实现本章实验的功能，另一种定时器+DMA的方式可以参考具体源码以及定时器和DMA章节的讲解。我们来讲解以下几个函数：

1. /**
   
2. * @brief       WS2812B的逻辑1
   
3. * [url=home.php?mod=space&uid=60778]@note[/url]        T1H / T1L > 2 / 1 且T1H + T1L = 1.25us （允许些许偏差）
   
4. * [url=home.php?mod=space&uid=271674]@param[/url]       无
   
5. * @retval      无
   
6. */
   
7. static void ws2812b_send_high(void)
   
8. {
   
9.     WS2812B(1);
   
10.     DELAY_800nS();
    
11.     WS2812B(0);
    
12.     DELAY_400nS();
    
13. }
    
14. 
    
15. /**
    
16. * @brief       WS2812B的逻辑0
    
17. * @note        T1H / T1L < 1 / 2 且T1H + T1L = 1.25us （允许些许偏差）
    
18. * @param       无
    
19. * @retval      无
    
20. */
    
21. static void ws2812b_send_low(void)
    
22. {
    
23.     WS2812B(1);
    
24.     DELAY_400nS();
    
25.     WS2812B(0);
    
26.     DELAY_800nS();
    
27. }
    

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以上这两个函数是WS2812B的逻辑1和0，可以参考我们前面讲过的0码和1码的高低电平的传输时间。
接着是WS2812B的初始化函数，其定义如下：

1. /**
   
2. * @brief       初始化WS2812B相关IO口, 并使能时钟
   
3. * @param       无
   
4. * @retval      无
   
5. */
   
6. void ws2812b_init(void)
   
7. {
   
8.     GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
   
9.     WS2812B_GPIO_CLK_ENABLE();                              /* 时钟使能 */
   
10. 
    
11.     gpio_init_struct.Pin = WS2812B_PIN;                     /* WS2812B引脚 */
    
12.     gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;            /* 开楼输出 */
    
13.     gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;                    /* 无上下拉 */
    
14.     gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;           /* 低速 */
    
15.     HAL_GPIO_Init(WS2812B_PORT, &gpio_init_struct);         /* 初始化LED0引脚 */
    
16.    
    
17.     ws2812b_reset();                                        /* 复位WS2812B */
    
18. }

复制代码

在初始化函数中，主要设置了WS2812B的引脚各项参数，在最后要对WS2812B进行一次复位。
接着是对RGBLED灯要显示的颜色亮度进行设置，这里涉及到RGB模型和HSV模型互相转化，其代码如下所示：

1. /**
   
2. * @brief   改变所要显示的颜色亮度（RGB->HSV->RGB）
   
3. * @param   rgb : GRB888颜色值
   
4. * @param   k   : 亮度值（0.0 ~ 1.0）
   
5. * @retval  改变亮度后的颜色值
   
6. */
   
7. uint32_t color_change_brigh(uint32_t rgb, float k)
   
8. {
   
9.     uint8_t r, g, b;
   
10.     float h, s, v;
    
11.     uint8_t cmax, cmin, cdes;
    
12.     uint32_t color;
    
13. 
    
14.     r = (uint8_t) (rgb >> 16);
    
15.     g = (uint8_t) (rgb >> 8);
    
16.     b = (uint8_t) (rgb);
    
17.    
    
18.     cmax = r > g ? r : g;
    
19.     if (b > cmax)
    
20.     {
    
21.         cmax = b;
    
22.     }
    
23.     cmin = r < g ? r : g;
    
24.     if (b < cmin)
    
25.     {
    
26.         cmin = b;
    
27.     }
    
28.    
    
29.     cdes = cmax - cmin;
    
30. 
    
31.     v = cmax / 255.0f;
    
32.     s = cmax == 0 ? 0 : cdes / (float) cmax;
    
33.     h = 0;
    
34. 
    
35.     if (cmax == r && g >= b)
    
36.     {
    
37.         h = ((g - b) * 60.0f / cdes) + 0;
    
38.     }
    
39.     else if (cmax == r && g < b)
    
40.     {
    
41.         h = ((g - b) * 60.0f / cdes) + 360;
    
42.     }
    
43.     else if (cmax == g)
    
44.     {
    
45.         h = ((b - r) * 60.0f / cdes) + 120;
    
46.     }
    
47.     else
    
48.     {
    
49.         h = ((r - g) * 60.0f / cdes) + 240;
    
50.     }
    
51.    
    
52.     v *= k;
    
53. 
    
54.     float f, p, q, t;
    
55.     float rf, gf, bf;
    
56.     int i = ((int) (h / 60) % 6);
    
57.     f = (h / 60) - i;
    
58.     p = v * (1 - s);
    
59.     q = v * (1 - f * s);
    
60.     t = v * (1 - (1 - f) * s);
    
61.     switch (i)
    
62.     {
    
63.         case 0:
    
64.         {
    
65.             rf = v;
    
66.             gf = t;
    
67.             bf = p;
    
68.             break;
    
69.         }
    
70.         case 1:
    
71.         {
    
72.             rf = q;
    
73.             gf = v;
    
74.             bf = p;
    
75.             break;
    
76.         }
    
77.         case 2:
    
78.         {
    
79.             rf = p;
    
80.             gf = v;
    
81.             bf = t;
    
82.             break;
    
83.         }
    
84.         case 3:
    
85.         {
    
86.             rf = p;
    
87.             gf = q;
    
88.             bf = v;
    
89.             break;
    
90.         }
    
91.         case 4:
    
92.         {
    
93.             rf = t;
    
94.             gf = p;
    
95.             bf = v;
    
96.             break;
    
97.         }
    
98.         case 5:
    
99.         {
    
100.             rf = v;
     
101.             gf = p;
     
102.             bf = q;
     
103.             break;
     
104.         }
     
105.         default:
     
106.         break;
     
107.     }
     
108. 
     
109.     r = (uint8_t) (rf * 255.0);
     
110.     g = (uint8_t) (gf * 255.0);
     
111.     b = (uint8_t) (bf * 255.0);
     
112. 
     
113.     color = ((uint32_t) r << 16) | ((uint32_t) g << 8) | b;
     
114. 
     
115.     return color;
     
116. }

复制代码

以上代码中，首先是RGB模型转换成HSV模型，然后再将HSV模型转换成RGB模型。RGB模型我们知道是指红、绿、蓝三原色。HSV模型的参数分别是色调（H），饱和度（S）和明度（V）。在转换成HSV模型时，需要将R,G,B的值除以255，以更改范围从0~255到0~1，如下所示：

大家可以根据转换公式代入代码中去理解一下，公式如下所示：
H的计算公式：

S的计算公式：

V的计算公式：

接着就是HSV模型转换成RGB模型，当0≤H≤360，0≤S≤1和0≤V≤1时的公式如下：

2.main.c代码
在main.c里面编写如下代码：

1. int main(void)
   
2. {
   
3.     uint8_t key, t = 0;
   
4.     uint8_t k, i, j = 0;
   
5.     uint32_t rgbled_buf[10];
   
6.    
   
7.     sys_mpu_config();                   /* 配置MPU */
   
8.     sys_cache_enable();                 /* 使能Cache */
   
9.     HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
   
10.     sys_stm32_clock_init(300, 6, 2);    /* 配置时钟，600MHz */
    
11.     delay_init(600);                    /* 初始化延时 */
    
12.     usart_init(115200);                 /* 初始化串口 */
    
13.     led_init();                         /* 初始化LED */
    
14.     key_init();                         /* 初始化按键 */
    
15.     hyperram_init();                    /* 初始化HyperRAM */
    
16.     ws2812b_init();                     /* 初始化W2812B */
    
17.     delay_ms(10);                       /* 需延迟保持数据稳定 */
    
18.    
    
19.     while (1)
    
20.     {
    
21.         key = key_scan(0);
    
22.         if(t % 100 == 0)                /* 间隔段时间换个颜色填充 */
    
23.         {
    
24.             for(i = 0; i < LED_NUM; i++)
    
25.             {
    
26.                 rgbled_buf[i] = g_grb888_color[j % LED_NUM];/* 颜色填充 */
    
27.             }
    
28.             for(k = 1; k <= LED_NUM; k++)
    
29.             {
    
30.                 ws2812b_display(k, rgbled_buf);            
    
31. /* RGBLED灯光显示(流水灯效果) */
    
32.                 delay_ms(50);
    
33.             }
    
34.             j++;                        /* 颜色数组的下一个成员 */
    
35.             t = 0;            
    
36.         }
    
37. 
    
38.         t++;
    
39.         if(key == WKUP_PRES)
    
40.         {
    
41.             ws2812b_reset();            /* 复位所有灯，让其熄灭 */
    
42.         }
    
43.         delay_ms(10);
    
44.     }
    
45. }

复制代码

该部分的代码逻辑很简单，初始化各个外设之后，进入死循环。通过第一个for循环，依次让每个RGBLED灯都亮起。所有灯亮起之后，进入第二个for循环，再依次显示另一个颜色。如果按键KEY_UP按下，所有灯熄灭并进行复位，重新开始颜色显示。

48.4 下载验证
下载代码后，可以看到RGBLED依次亮起同一个颜色，并且每2秒钟换一种颜色进行显示。此时我们按下KEY_UP按键，所有RGBLED灯熄灭，之后重新开始颜色显示。