ws2812 程序设计与应用（1）DMA 控制 PWM 占空比原理及实现（STM32）
本文开发环境：
- MCU型号：STM32F1038C8T6
- IDE环境： MDK 5.27
- 代码生成工具：STM32CubeMx 5.6.1
- HAL库版本：STM32Cube_FW_F1_V1.8.0
本文内容：
- STM32 使用 DMA+PWM 方式驱动 ws2812（x4）
附件：
- MDK5 示例工程
- WS2812 中英文数据手册
文章目录
- 一、WS2812 简介
- 时序
- 传输
- 二、ws2812 驱动的几种方式
- 三、DMA+PWM+TIM 驱动 ws2812
- 四、STM32CubeMx 配置
- 基础配置
- 定时器配置
- PWM 配置
- DMA 配置
- 生成工程
- 五、硬件连接
- 六、程序设计
- 流程
- 程序
- 验证
- 函数封装
- 测试
- 附件
一、WS2812 简介
WS2812 内部集成了处理芯片和3颗不同颜色的led灯（红，绿，蓝），通过单总线协议分别控制三个灯的亮度强弱，达到全彩的效果，每一个灯需要 8 bits（1 byte） 的数据，所以一颗 ws2812 共需要24 bits（3 bytes） 的数据。
时序
ws2812 采用 PWM方式来编码，即每个PWM的周期固定为1.25us（800k），占空比为 1/3 时为 0 码，占空比为 2/3 为 1 码。另外，ws2812 复位信号为一个 不低于50us的低电平：
传输
ws2812 的特点是可以多个灯珠串联起来，这样就可以通过一个总线控制多个灯珠：
ws2812 可以将第一个24字节的时序留下，余下的往下一位传递：
可以结合波逻辑分析仪捕获的波形来理解：
上图是4个led的驱动时序，首先是一个100us的低电平复位来ws2812，接着是第一个led灯的数据，它有24个周期，分为3个部分，每一个部分是8个周期分别对应不同颜色的灯，可以看到，第一个部分都是宽占空比，所以全是1，第二个部分都是窄占空比，所以全是0，第三个部分和第一个部分同。所以第一颗led灯，是绿色和蓝色一起亮，视觉效果为青色，其它同理。
时序的数据结构是，高位到低位：
程序实现之前，需要了解清楚时序，更多请参考附件中相关手册。
二、ws2812 驱动的几种方式
本文只讨论 DMA+PWM+TIM 的方式来实现，其他的开发方式还有以下几种：
- 使用 nop 指令延时，直接翻转IO口产生时序，这种方式最为简单易用，只需要控制nop延时的时间，就可以从产生0和1码，它需要占用系统资源。
- 使用 SPI 数据传输产生时序
SPI 只需要控制在合适的波特率，在传输不同数据的时候，可以产生符合要求的0和1码，这种方式需要等同于使用了一个SPI设备 - 使用 DMA+Timer 产生时序
这种方式需要使用一个定时器，其中一个通道固定产生一个周期1.25us的PWM，占空比2/3，接着需要另一个通道，在周期的1/3处搬运数据到IO口，若为1，PWM不变，若为0，PWM则为0码，这种方式有更大的局限性，由于DMA只能搬运至少一个字节，所以每次会同时改变8个IO口的高低电平，或许使用位带操作可以解决这问题 - 使用 DMA+Timer+PWM 产生时序
本文讨论的实现方案，这种方案有2种驱动的方式，一种是直接建立一个大的数组，存放所有灯珠的数据，然后启动DMA传输，第二种是建立2个灯组数据大小的数组，当DMA传输一个灯珠数据时，改变另一个灯组数据，通过不断改变数组的方式，节约内存，相比较而言，第一种方式较为直观，第二种方式则可以解决灯珠较多的情况，本文讨论第一种的原理和程序的实现。
三、DMA+PWM+TIM 驱动 ws2812
定时器 TIM 用以产生一个固定周期的PWM，DMA用以改变PWM 的占空比：
如图，DMA通过不断的搬运数据到定时器调节占空比的CCR寄存器，实现ws2812时序的产生，在STM32中，通过配置外设可实现：定时器每产生一次溢出事件（即计数完成），就请求一次DMA搬运一个数据（长度：字节/半字/字可选），所以用户只需要将数据排列在数组里，就可以产生所需要的时序。
四、STM32CubeMx 配置
基础配置
基础配置是每一个工程都必须的，包括系统时钟，指定延时函数定时器，打开调试口等：
- 选择芯片：STM32F103C8T6
- 配置系统时钟：设置为外部晶振
- 配置系统时钟为最高的72M：
- 打开 SW 调试口：用以ST-LINK下载和调试程序
定时器配置
- 定时器配置：配置定时器1，不分频，72M计数（89+1）个，时间为1.25us。
PWM 配置
- PWM配置：打开定时器1通道1，作为ws2812时序产生IO口
DMA 配置
- 配置DMA：连接DMA和定时器1，方向为内存到外设，内存地址需要增长，外设不增长
生成工程
- 生成工程：选择工程路径，库使用的库等
五、硬件连接
由 CubeMx 可知，所配置的定时器1通道1在PA8上，所以将ws2812的信号线连接到PA8上，注意ws2812的供电充足，并与STM32共地。
六、程序设计
流程
程序的初始化一般CuMx自动为程序员添加代码，所以驱动ws2812只需要以下三步：
- 初始化灯珠的数组
- 开启DMA传输
- 传输完毕关闭DMA传输
程序
... ...
// DMA 传输完成回调函数
void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
}
//DMA 需要传输的数据
uint16_t pulse[176] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,\
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,\
59,59,59,59,59,59,59,59,\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
59,59,59,59,59,59,59,59,\
\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
59,59,59,59,59,59,59,59,\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
59,59,59,59,59,59,59,59,\
\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
29,29,29,29,29,29,29,29,\
29,29,29,29,29,29,29,29,};
//测试函数
void ws2182_test(void)
{
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1,TIM_CHANNEL_1,(uint32_t *)pulse,(176));
}
第3行：HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback() 是一个回调函数，当DMA传输完成以后，就会调用这个函数，由于本文DMA传输模式选择为Circular，所以DMA需要手动关闭，否则DMA会不断的搬运数据。
第9行：这是一个176字节的数组，注意到这不是一个小的数组，所以尽量避免在函数内被申请，请在全局变量区域申请。数组的开始是80个0，DMA 没一个定时器周期就搬运一个0到定时器CCR中，定时器将产生一个1.25us的全低电平，80个为100us，这个100us的低电平作为ws2812的复位信号。
接着，数据在逻辑上被分为4个部分，对应的是4个灯珠的颜色数据，其中，每一个部分又分为3行，每一行，代表该灯珠某一颜色的数据。
在定时器中，由于配置为计90个数一个周期，所以计数到30拉低电平（占空比 1/3）就产生了一个0码，若计数到60个拉低电平（占空比 2/3）就产生了1码，定时器计数个数为其值+1，所以这里数值29,59将会对应产生0码和1码
第28行：这是一个示例函数，它使用HAL_TIM_PWM_Start_DMA()，开启本次的DMA传输，运行该函数以后，定时器将被打开，DMA也开始搬运数据。
验证
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_TIM1_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
ws2182_test(); //调用测试函数
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
验证程序可以在mian()初始化完所有硬件之后，调用ws8212_test()函数，之后程序进入while(1)循环等待。
程序运行正常，将可以看到一个红灯，一个蓝灯，一个青灯，最后一个关闭：
函数封装
上述程序实现了灯效的控制，但是其数组不够灵活，所以需要封装一个函数，这个函数可以通过用户传入的RGB参数，来自动填充数组：
#define ONE_PULSE (59) //1 码计数个数
#define ZERO_PULSE (29) //0 码计数个数
#define RESET_PULSE (80) //80 复位电平个数（不能低于40）
#define LED_NUMS (4) //led 个数
#define LED_DATA_LEN (24) //led 长度，单个需要24个字节
#define WS2812_DATA_LEN (LED_NUMS*LED_DATA_LEN) //ws2812灯条需要的数组长度
... ...
uint16_t static RGB_buffur[RESET_PULSE + WS2812_DATA_LEN] = { 0 };
... ...
void ws2812_set_RGB(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t num)
{
//指针偏移:需要跳过复位信号的N个0
uint16_t* p = (RGB_buffur + RESET_PULSE) + (num * LED_DATA_LEN);
for (uint16_t i = 0;i < 8;i++)
{
//填充数组
p[i] = (G << i) & (0x80)?ONE_PULSE:ZERO_PULSE;
p[i + 8] = (R << i) & (0x80)?ONE_PULSE:ZERO_PULSE;
p[i + 16] = (B << i) & (0x80)?ONE_PULSE:ZERO_PULSE;
/*
}
}
其中 p[i] = (G << i) & (0x80)?ONE_PULSE:ZERO_PULSE;是一个三元操作符，其等效以下程序：
if ((R << i) & (0x80))
{
p[i] = ONE_PULSE;
}
else
{
p[i] = ZERO_PULSE;
}
测试
void ws2812_example(void)
{
//#1.填充数组
ws2812_set_RGB(0x22, 0x00, 0x00, 0);
ws2812_set_RGB(0x00, 0x22, 0x00, 1);
ws2812_set_RGB(0x00, 0x00, 0x22, 2);
ws2812_set_RGB(0x22, 0x22, 0x22, 3);
//#2.传输数据
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1,TIM_CHANNEL_1,(uint32_t *)RGB_buffur,(176));
//#3.延时：使效果可以被观察
HAL_Delay(500);
ws2812_set_RGB(0x22, 0x00, 0x00, 1);
ws2812_set_RGB(0x00, 0x22, 0x00, 2);
ws2812_set_RGB(0x00, 0x00, 0x22, 3);
ws2812_set_RGB(0x22, 0x22, 0x22, 0);
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1,TIM_CHANNEL_1,(uint32_t *)RGB_buffur,(176));
HAL_Delay(500);
}
int main(void)
{
... ...
HAL_Init();
... ...
while (1)
{
... ...
ws2812_example();
.... ...
}
/* USER CODE END 3 */
}
ws2812_example()函数设置了灯的颜色情况，并通过延时来控制灯的闪烁：
附件
MDK5工程及中英文手册
提取码：c4r8