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STC15F104W驱动WS2812

时间：2021-09-15 04:44:36

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STC15F104W驱动WS2812

提示：学习目标：了解WS2812的驱动原理，写出驱动代码。

内容：

提示：这里可以添加要学的内容

例如：

1、连接WS2812时序；

2、基于STC15F104W写出驱动程序。

3、软件调试计算程序的机器周期。

4、测试程序，并根据示波器得到的实际机器周期时间重新调整驱动程序

正文：

1，WS2812时序

WS2812是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源，每个ws2812均含有4个引脚，引脚功能如下图：

WS2812可采用级联的方式，将上一个WS2812的DOUT引脚连接到下一个WS2812的DIN引脚，即可实现一个引脚控制多个WS2812。一般自己设计电路时还要在电源输入处添加一个0.1uF的小电容进行滤波。注意，虽然理论上可以连接足够多的ws2812，但是使用时要注意驱动电压和驱动电流是否足够驱动这些彩灯。

由于只有一个引脚控制ws2812，所以我们只能通过控制引脚输出高、低电平的时间，来让WS2812知道我们想让他显示哪一个灯，显示什么颜色。

想要让1个ws2812显示我们想要的颜色，我们需要给它发送颜色数据。每一个ws2812的颜色数据都是24位：8位绿色+8位红色+8位蓝色。

如果我们想控制1个ws2812，我们发送24位颜色数据；如果我们想控制2个ws2812，我们需要连续发送48位颜色数据；如果我们想控制n个ws2812，我们需要连续发送n*24位颜色数据。

那么ws2812如何知道我们发送的每一个位的数据是“1”还是“0”呢？

WS2812手册中对于数据有明确的时间定义：

可以看出，当我们想要发送一个位的数据时，如果这个位是“1”，我们就控制单片机的引脚输出高电平0.85us，然后控制引脚输出低电平0.40us；如果这个位是“0”，则控制引脚输出高电平0.40us，然后控制引脚输出低电平0.85us。

而如果我们想控制1个灯显示颜色，我们需要发送24个位的颜色数据给ws2812。如果我们想控制n个灯显示颜色，我们从第1个灯的颜色数据开始发送，直至发送完n*24个数据。最后我们需要控制单片机引脚输出低电平超过50us，让彩灯显示颜色。

2，写出驱动程序

注意，STC15F104W只有8个引脚，我们一般采用内部晶振电路。下面的代码都是基于12MHz的晶振频率写的。WS2812对于单片机的引脚时序要求比较高。我们一般调用intrins.h这个头文件的机器周期函数，nop()函数执行一次占用一个机器周期（此处时钟周期和机器周期相等），所以每条机器周期时间为1/12MHz=83.3us。（代码中很多处使用宏定义，宏定义在预编译阶段程序就完成代码替代工作，不会影响程序的执行时间，且修改方便）

下面是h文件代码：

#ifndef __WS2812_H#define __WS2812_H//头文件区#include <STC15F2K60S2.H>#include <intrins.h>//用户修改参数区//#define WS2812_FREQUENCY#define RGB_PIN P33 //控制彩灯引脚（需要配置为强推挽输出）#define WS2812_MAX 25 //彩灯最大个数#define WS2812_NUMBERS 8//彩灯个数#define RED0xff0000 //红色#define GREEN 0x00ff00 //绿色#define BLUE 0x0000ff //蓝色#define BLACK 0x000000 //熄灭#define WHITE 0xffffff //白色#define RGB_PIN_H() RGB_PIN = 1#define RGB_PIN_L() RGB_PIN = 0#define delay1NOP() _nop_();#define delay1NOP() _nop_();#define delay2NOP() delay1NOP(); _nop_();#define delay3NOP() delay2NOP();_nop_();#define delay5NOP() delay3NOP();delay2NOP();#define delay7NOP() delay5NOP();delay2NOP();void Ws2812b_WriteByte(unsigned char byte);//发送一个字节数据（@12.000MHz,理论每个机器周期83ns,测试约为76ns） void setLedCount(unsigned char count);//设置彩灯数目，范围0-25. unsigned char getLedCount();//彩灯数目查询函数 void rgb_SetColor(unsigned char LedId, unsigned long color);//设置彩灯颜色 void rgb_SetRGB(unsigned char LedId, unsigned long red, unsigned long green, unsigned long blue);//设置彩灯颜色void rgb_SendArray();//发送彩灯数据#endif

接着我们对c代码进行详解。

首先调用h文件，然后定义一个数组，用来存放彩灯的颜色数据。这里数据存放在data空间（空间有限，只能存放25个灯左右的数据），后面有需要再优化到xdata空间。ledsCount 记录实际我们想要控制的彩灯的数目，nbLedsBytes 用来记录彩灯的数据个数（一个灯需要3个字节）。

#include "ws2812.h"unsigned char LedsArray[WS2812_MAX * 3];//定义颜色数据存储数组unsigned int ledsCount = WS2812_NUMBERS;//定义实际彩灯默认个数unsigned int nbLedsBytes = WS2812_NUMBERS*3; //定义实际彩灯颜色数据个数

接着我们开始编写彩灯的设置数目函数，查询数目函数，以及两个设置指定彩灯颜色的函数。

//设置彩灯数目，范围0-25.void setLedCount(unsigned char count){ledsCount = WS2812_MAX > count ? count : WS2812_MAX;nbLedsBytes = ledsCount*3;}//彩灯数目查询函数unsigned char getLedCount(){return ledsCount;}//设置彩灯颜色(在这里我将绿和红色进行颠倒，这样比较符合我们日常生活的红绿蓝的顺序)void rgb_SetColor(unsigned char LedId, unsigned long color){if( LedId > ledsCount ){return; //to avoid overflow}LedsArray[LedId * 3]= (color>>8)&0xff;LedsArray[LedId * 3 + 1] = (color>>16)&0xff;LedsArray[LedId * 3 + 2] = (color>>0)&0xff;}//设置彩灯颜色void rgb_SetRGB(unsigned char LedId, unsigned long red, unsigned long green, unsigned long blue){unsigned long Color=red<<16|green<<8|blue;rgb_SetColor(LedId,Color);}

然后我们对彩灯数据通过引脚发送出去。注意，发送彩灯数据的过程中，请将中断关闭，否则有可能会导致数据发送到一半被中断打断，导致显示异常。Ws2812b_WriteByte()函数是这个驱动代码的核心。

//发送彩灯数据void rgb_SendArray(){unsigned int i;bit a=EA;//发送数据EA=0;for(i=0; i<nbLedsBytes; i++)Ws2812b_WriteByte(LedsArray[i]);EA=a;}

下面的Ws2812b_WriteByte函数是我基于stc15f104w调试的。我写过不同单片机的驱动。不同单片机的每条指令花费的时间都不一样。如果您想要采用其他系列的单片机，我们只需要修改Ws2812b_WriteByte()函数里面的内容即可。其他的函数可以不做修改。方便代码的移植。

主要修改的地方是高电平总的拉高时间。这里之所以不对“1”和“0”的内容进行函数封装，是为了我自己调试的方便。如果您觉得代码不够简短好看，您可以将判断条件里面的内容用宏定义进行一下封装。

/*//使用12.000MHz频率,理论每个机器周期83ns,实际测试约为76ns。//下面都是基于76ns纳秒一个机器周期计算的。//测试时发现可以支持12-20Mhz频率。//如果想要使用11.0592Mhz频率，在h文件取消“#define WS2812_FREQUENCY”的注释//在实际测试中发现，ws2812对高电平时间较为敏感，对低电平时间不敏感//也就是说，低电平时间可以稍微长一些也不会影响程序，但是高电平时间需要控制的比较准确才行。*/void Ws2812b_WriteByte(unsigned char byte){#ifndef WS2812_FREQUENCYif(byte & 0x80){RGB_PIN_H();//4个机器周期（STC15F104W的拉高拉低都需要4个机器周期，其他系列暂时不知道，但是很大可能不是4个机器周期）delay7NOP();//7个机器周期RGB_PIN_L();//4+8（跳出这个if判断需要5个机器周期，再进入下一个if判断需要3个机器周期）}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5（跳出这个else需要3个机器周期，进入下一个else则需要2个机器周期）}if(byte & 0x40){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x20){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x10){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x8){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x4){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x2){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}if(byte & 0x1){RGB_PIN_H();//delay7NOP();//4+7RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay2NOP();//4+2RGB_PIN_L();delay3NOP();//4+3+5}#elseif(byte & 0x80){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x40){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x20){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x10){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x8){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x4){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x2){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}if(byte & 0x1){RGB_PIN_H();//delay5NOP();//4+5RGB_PIN_L();//4+8}else{RGB_PIN_H();delay1NOP();//4+1RGB_PIN_L();delay2NOP();//4+2+5}#endif}

main文件里面，我是用stc生成了一个300ms的延时函数。让程序每隔300ms更换一下颜色并输出。红绿蓝三色交替闪烁。

#include <STC15F2K60S2.H>#include "ws2812.h"void Delay300ms();//@12.000MHzvoid main(){int i=0;setLedCount(12);//可以设置0-25之间的任何数目，根据实际情况而定rgb_SetRGB(0,0,0,0);//设置第一个灯关闭（这里作为使用示例，下面的rgb_SetColor覆盖了这个函数的作用）while(1){for(i=0; i<getLedCount(); i++)//设置所有的灯为红色{rgb_SetColor(i,RED);}rgb_SendArray();//发送给ws2812，显示颜色Delay300ms();for(i=0; i<getLedCount(); i++)//设置所有的灯为绿色{rgb_SetColor(i,GREEN);}rgb_SendArray();//发送给ws2812，显示颜色Delay300ms();for(i=0; i<getLedCount(); i++)//设置所有的灯为蓝色{rgb_SetColor(i,BLUE);}rgb_SendArray();//发送给ws2812，显示颜色Delay300ms();}}void Delay300ms()//@12.000MHz{unsigned char i, j, k;_nop_();_nop_();i = 14;j = 174;k = 224;do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);}

3，软件调试

确保您的芯片型号选择正确。

填写软件调试的晶振频率，我这里使用16MHz(只是用来软件计算机器周期，和实际晶振无关)。1/16MHz=62.5ns。如果采用12MHz，我计算机器周期不太方便。

点击调试。没有配置时默认是软件调试模式。

点击引脚信号的逻辑分析。

在新弹出的窗口中点击Setup。然后输入您的控制引脚。

使用调试控件，一边观察波形图。

在程序执行RGB_PIN_H();这一句之前，我用红色的线定位了此时的时间位置，执行这一句后，我用蓝色的线查看它们之间的差值，差值为0.25us。这里我的软件仿真使用的是16MHz晶振，每个机器周期为62.5ns。0.25us相当于4个机器周期。正如我上面的发送函数里面的机器周期备注一样。同理可以计算出每行代码需要花费的机器周期时间，从而准确写出驱动。

比如，我们需要0.85us的高电平时间，也就是850ns，然后实际上我们使用的晶振是12MHz。每个机器周期的时间是理论是1/12Mhz=83.3ns。那么我们就需要850/83.3=10.2个机器周期。这里取11个机器周期。根据前面我们知道电平拉高需要用去4个机器周期，因此我们还需要让高电平维持7个机器周期的时间，然后将电平拉低。以此原理，写出我们的Ws2812b_WriteByte()函数的驱动。