利用硬件SPI控制WS2812，驱动1024颗灯珠
时间：2022-09-07 21:30:01
“简 介： 利用ESP32中的硬件SPI控制WS显示2812。9018年采用高频三极管 确定适当的电阻参数作为输出界面反向器，验证了驱动方案的硬件和软件的可行性。
”关键词： WS2812，ESP32，SPI
01 WS2812
??智能集成LED光源 WS2812[1] 易于使用简单的外部接口和独特的级联方案MCU完成多个LED控制，极大简化了LED控制接口。与传统接口相比。 单片机LED IO控制方案口复用[2] ，使用WS2812更简介。
一、芯片简介
1.特点和优势
控制电路集成在5050包装中RGB芯片，形成完整的像素点控制；
内置扫描执行整形电路，传输到级联下一节点，无信号失真累积效应；
内置复位电路和掉电复位电路；
每个RGB灯具有256亮度，可形成中色，刷新频率不低于400Hz；
端口级联通过信号线完成；
传输距离在5米以内，无需增加额外电路；
低速模式下可控制不少于512盏灯，高速模式下可控制不少于1024盏灯；
数据传输速率为800kbps；
颜色一致性强，价格低；
2、应用
全色模块；全色柔光带；
LED装饰灯带；室内外LED显示屏不规则；
3、管脚封装
二、工作原理
1、工作电压
??根据 WS2812[3] 数据手册，其工作电压范围在，工作电压输入信号电压VDD±0.5V范围内LED的参数：
【表2-1-1 RGB 参数】
| Emitting color | Wavelength(nm) | Luminous intensity(mcd) | Current(mA) | Voltage(V) |
|---|---|---|---|---|
| Red | 620-630 | 550-700 | 16 | 1.8-2.2 |
| Green | 515-530 | 1100-1400 | 16 | 2.8~3.1 |
| Blue | 465-475 | 200-400 | 16 | 3.0-3.4 |
2、控制协议
??WS2812级联控制协议非常简单。串行异步信号可以通过信号线发送。
??四个显示在下面WS2812通过数据级联。不同高低电平脉冲用于串行通信，表示数据0和1编码。
【221. 脉冲编码参数】
| 脉冲 | 定义 | 时间 | 误差 |
|---|---|---|---|
| T0H | 0 code ,high voltage time | 0.4us | ±150ns |
| T1H | 1 code ,high voltage time | 0.85us | ±150ns |
| T0L | 0 code , low voltage time | 0.85us | ±150ns |
| T1L | 1 code ,low voltage time | 0.4us | ±150ns |
| RES | low voltage time | Above 50μs |
??下面是三个WS2812级联发过程对应的波形。通过发送三组24bit可控制三级联的编码WS2812灯的颜色。D1是直接由MCU数据端口控制，D2,D3,D4则是WS8212内部整形放大后再传输。
??使用RESET编码，即超过50us形成低电平WS2812输出锁定。
??每组24bit对应的的GRB如下所示。发送颜色的顺序是GRB，字节在前面。
02 ESP32-SPI
??由于控制WS2812脉冲高低电平为0.85us，0.4us，时间间隔，为了产生这样的脉冲，使用普通脉冲IO口是不能完成的，下面的测试使用 硬件SPI[4] 产生脉冲信号控制。
一、ESP32中的硬件SPI
??在ESP三十二中有两个硬件SPI端口可以最快达到80的总速率MHz，可以满足对WS控制脉冲速率的2812。
1、SPI缺省管脚
??如果使用SPI管脚缺失配置，输出速率可达80MHz，若使用其它GPIO，则输出的速率则需要限制在40MHz以下。
【表2-1-1 ESP32 硬件SPI缺省端口】
| 管脚 | HSPI(id=1) | HSPI(id=2) |
|---|---|---|
| SCK | 14 | 18 |
| MOSI | 13 | 23 |
| MISO | 12 | 19 |
2、ESP32实验转接板
??利用 ESP32实验转接板[5] ，测试硬件SPI端口。
??使用SPI id=1，对应的SPI，MOSI，MISO对口为14、13、12，对应实验转接板上的输出管脚如下图所示，从右到左分别为：
? ● ESP32转接板SPI管脚定义：
???SCK：PIN9
???MISO：PIN8
???MOSI：PIN7
3、测试SPI输出波形
??初始化SPI端口使输出速率为10MHz，输出数据0x55,0xaa，用示波器观察MOSI，SPI波形。
1）测试缺省SPI模式
from machine import Pin,Timer,SPI
import time
hspi = SPI(1, 10000000, sck=Pin(14), mosi=Pin(13), miso=Pin(12))
buf = bytes((0x55,0xaa))
print(buf)
while True:
hspi.write(buf)
time.sleep_ms(10)通过测试波形可以看到输出SPI的频率为5MHz。SPI正常的电平为低电平。
设置输出的波特率为2.5MHz，此时便可以输出 0.4us 的低脉冲。
设置输出波特率为2.5MHz，可以产生所需要的0.4us的电平输出。波形如下图所示：
二、使用晶体管反向MOSI
使用晶体管将MOSI波形进行反向，这可以：
能够满足WS2812控制脉冲电平极性要求。它要求控制信号在平时为高电平，通过低电平脉冲获得复位信号、0/1数据位信号。
提高带载能力。
1、信号反向电路
2、电路测试
（1）晶体管BC547
由于BC547B的截止频率只有300MHz，信号通过BC547之后，引起了很大的失真。下图显示了信号波形。
（2）晶体管9018
为了提高响应速度，对电路进行如下的调整：
● 电路元器件参数：
Q1：9018
R1：10k
R2：200
三、产生控制波形
1、产生RESET信号
根据WS2812控制信号协议，RESET是时长超过50us的低电平，因此，在2.5MHz的波特率下，连续输出125bit的高电平，也就是16个byte的0xff，则可以产生：个1输出，便可以产生的低电平。
from machine import Pin,Timer,SPI
import time
hspi = SPI(1, 2500000, sck=Pin(14), mosi=Pin(13), miso=Pin(12),
polarity=0)
buf = bytes([0xff]*16)
print(buf)
while True:
hspi.write(buf)
time.sleep_ms(10)2、产生RGB数据
根据WS2812协议，每一组RGB需要24个bit，每个bit可以有SPI输出的3个bit来表示，因此输出一组RGB数据，则需要SPI输出。
由于存在MOSI输出反向，所以对应的RGB输出的高低电平需要进行反相。
● RGB的0,1bit对应SPI：
RGB-0：SPI-011
RGB-1：SPI-001
（1）转换代码
from machine import Pin,Timer,SPI
import time
hspi = SPI(1, 2500000, sck=Pin(14), mosi=Pin(13), miso=Pin(12),
polarity=0)
def byte2bin(b):
bstr = bin(b)[2:]
return '0'*(8-len(bstr)) + bstr
def rgb2byte(r,g,b):
str = byte2bin(g) + byte2bin(r) + byte2bin(b)
spistr = ''.join([(lambda s: '011' if s*'0' else '001')(x) for x in str])
rgbdim = [int(spistr[i*8:i*8+8], 2) for i in range(9)]
return bytes(rgbdim)
rgbbyte = rgb2byte(0xff,0x80,0x3f)
print(rgbbyte)
rstbyte = bytes([0xff]*16)
outbyte = rstbyte+rgbbyte
while True:
hspi.write(outbyte)
time.sleep_ms(10)（2）输出波形
输出RGB分别为:0xff, 0x80, 0x3f，对应的数据波形为：
将RGB对应的输出脉冲展开后的波形，可以检查输出波形是否符合WS2812对应的控制信号协议。
四、测试WS2812
1、波形失真
编程输出RGB为（0xff，0x0,0x0），对应WS2812应该是输出红色，但直接接入之后，WS2812输出为白色。
通过观察DI的波形，可以看到它处于高电平的时间超过400us，并且低电平大约为1.5V。这说明Q1的驱动不足。
2、降低R1的阻值
降低R1阻值，提高Q1响应时间，以及输出低电平降低。最后将R1的阻值更换成3.3k欧姆之后，D1波形有了改善，此时WS2812的颜色与设置的参数相符了。
3、RGB转换颜色
编程依次输出RGB颜色。
3、RGB转换颜色
from machine import Pin,Timer,SPI
import time
hspi = SPI(1, 2500000, sck=Pin(14), mosi=Pin(13), miso=Pin(12),
polarity=0)
def byte2bin(b):
bstr = bin(b)[2:]
return '0'*(8-len(bstr)) + bstr
def rgb2byte(r,g,b):
str = byte2bin(g) + byte2bin(r) + byte2bin(b)
spistr = ''.join([(lambda s: '011' if s*'0' else '001')(x) for x in str])
rgbdim = [int(spistr[i*8:i*8+8], 2) for i in range(9)]
return bytes(rgbdim)
rgbbyte = rgb2byte(0xff,0x0,0x0)
rstbyte = bytes([0xff]*16)
outbyte = rstbyte+rgbbyte+rstbyte
while True:
rgbbyte = rgb2byte(0xff,0x0,0x0)
outbyte = rstbyte+rgbbyte+rstbyte
hspi.write(outbyte)
time.sleep_ms(500)
rgbbyte = rgb2byte(0x0,0xff,0x0)
outbyte = rstbyte+rgbbyte+rstbyte
hspi.write(outbyte)
time.sleep_ms(500)
rgbbyte = rgb2byte(0x0,0x0,0xff)
outbyte = rstbyte+rgbbyte+rstbyte
hspi.write(outbyte)
time.sleep_ms(500)下面显示了WS2812在SPI输出波形控制下完成颜色的转换。
※ 实验总结 ※
利用ESP32中的硬件SPI输出脉冲波形，控制WS2812响应。
通过电路调整，选择了高频晶体管9018 作为输出反向晶体管，确定了放大电路参数，测试验证了利用高速SPI控制WS2812的硬件电路和软件。
参考资料
[1]
WS2812: https://wenku.baidu.com/view/c8b79d88fad6195f312ba6d3.html
[2]单片机LED IO口复用控制方案: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116725947
[3]WS2812: https://d2j2m4p6r3pg95.cloudfront.net/module_files/led-cube/assets/datasheets/WS2812B.pdf
[4]硬件SPI: https://docs.micropython.org/en/latest/esp32/quickref.html#hardware-spi-bus
[5]ESP32实验转接板: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115563474
