利用硬件SPI控制WS2812,驱动1024颗灯珠

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2021-10-27 01:07

简 介: 利用ESP32中的硬件SPI控制WS2812的显示。使用了高频三极管9018 作为输出接口反向器,确定合适的电阻参数,验证了驱动方案的硬件和软件的可行性。
关键词 WS2812ESP32SPI

01 WS2812

  能集成LED光源 WS2812[1] 通过简单的外部接口、特有的级联方案便于利用MCU完成多个LED控制,极大简化了LED控制接口。相比于传统的 单片机LED IO口复用控制方案[2] ,使用WS2812则更加的简介。

▲ 图1.1  灯珠控制闪烁

一、芯片简介

1、特点与优势

  • 在5050封装内集成有控制电路和RGB芯片,形成完整像素点控制;
  • 内置扫执行好整形电路,传递到级联下一节点时,不会产生信号失真累积效应;
  • 内置复位电路与掉电复位电路;
  • 每个RGB灯都有256亮度级别,可以形成中颜色,刷新频率不低于400Hz;
  • 通过信号线完成端口级联;
  • 传输距离在5米之内,无需增加额外电路;
  • 在刷新频率30帧/秒中,低速模式下可以控制不少于512颗灯,高速模式下则超过1024颗灯;
  • 数据传输速率为800kbps;
  • 颜色一致性强,价格低;
▲ 图1.1.1 灯带点亮后的效果

2、应用

  • 全色彩模块;全色彩柔光灯带;
  • LED装饰灯带;室内、室外LED不规则显示屏;

3、管脚封装

▲ 图1.1.2 WS2812封装与管脚功能定义

二、工作原理

1、工作电压

  根据 WS2812[3] 数据手册,它的工作电压范围在,输入信号电压在工作电压VDD±0.5V范围内。三路LED的参数:

【表2-1-1 RGB 参数】

Emitting colorWavelength(nm)Luminous intensity(mcd)Current(mA)Voltage(V)
Red620-630550-700161.8-2.2
Green515-5301100-1400162.8~3.1
Blue465-475200-400163.0-3.4

2、控制协议

  WS2812的级联控制协议非常简单。通过一根信号线就可以进行串行异步信号发送。

  下面显示了四个WS2812通过数据性级联的方式。在串行通讯中使用不同高低电平脉冲表示数据0,1编码。

▲ 图1.2.1 级联方法与编码波形

【221. 脉冲编码参数】

脉冲定义时间误差
T0H0 code ,high voltage time0.4us±150ns
T1H1 code ,high voltage time0.85us±150ns
T0L0 code , low voltage time0.85us±150ns
T1L1 code ,low voltage time0.4us±150ns
RESlow voltage timeAbove 50μs

  下面是三个WS2812级联发送过程对应的波形。可以看到通过发送三组24bit的编码,可以控制三个级联的WS2812灯的颜色。数据D1是直接由MCU数据端口控制,D2,D3,D4则是WS8212内部整形放大后再进行传输。

  使用RESET编码,也就是超过50us的低电平形成WS2812输出锁定。

▲ 图1.2.2 三个WS2812级联发送过程对应的波形

  每组24bit对应的的GRB编码如下所示。发送颜色顺序为GRB,字节的高位在前。

▲ 图1.2.3 每组24bit对应的的GRB编码
▲ 图1.1.3 灯带点亮后的效果

02 ESP32-SPI

  于控制WS2812的脉冲高低电平在0.85us,0.4us,时间间隔,为了产生这样的脉冲,使用普通的软件控制IO口是无法完成的,下面测试使用其中的 硬件SPI[4] 产生控制脉冲信号。

一、ESP32中的硬件SPI

  在ESP32中具有两路硬件SPI端口,可以最快达到始终速率80MHz,这可以满足对WS2812的控制脉冲的速率。

1、SPI缺省管脚

  如果使用SPI缺省配置管脚,输出速率可以达到80MHz,如果使用其它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)
SCK1418
MOSI1323
MISO1219

2、ESP32实验转接板

  利用 ESP32实验转接板[5] ,测试硬件SPI端口。

▲ 图2.1.1  ESP32实验转接板

  使用SPI id=1,对应的SPI,MOSI,MISO的对口为,14,13,12,对应的实验转接板上的输出管脚如下图所示,从右往左分别是:

  ●  ESP32转接板SPI管脚定义:
   SCK:PIN9
   MISO:PIN8
   MOSI:PIN7

▲ 图2.1.2 ESP32中对应的SPI,MOSI,MISO的管脚

3、测试SPI输出波形

  初始化SPI端口,使得输出速率为10MHz,输出数据0x55,0xaa,使用示波器观察MOSI,SPI波形。

(1)测试缺省SPI模式

from machine                import Pin,Timer,SPI
import time

hspi = SPI(110000000, 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。

▲ 图2.1.3 测量SPI,MOSI的输出波形

  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:

▲ 图2.1.4 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

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

▲ 图2.2.1 MOSI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。

▲ 图2.2.2 MOSI 输入输出信号

(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

▲ 图2.2.3  电路参数修改之后输入输出波形

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(12500000, 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)
▲ 图2.3.1 连续输出16个0xff所产生的RESET信号

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(12500000, 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], 2for 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:

▲ 图2.3.2 带有一个RST信号的一组RGB波形

  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。

▲ 图2.3.3 将RGB对应的输出脉冲展开后的波形

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。

▲ 图2.4.1 DI波形以及对应的WS2812颜色

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。

▲ 图2.4.2 DI波形以及对应的WS2812颜色
▲ 图2.4.3 最终对应的电路图中的参数

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(12500000, 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], 2for 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。

▲ 图2.4.4  RGB转换颜色

※ 实验总结 ※

  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


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