WS2812串行可控彩色LED灯珠

Posted 2021-11-22 卓晴

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： WS2812，ESP32，SPI

 

§01 WS2812

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  智能集成LED光源 WS2812 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 ，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$2^{24}=16777216$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 数据手册，它的工作电压范围在KaTeX parse error: Can't use function '\\~' in math mode at position 6: + 3.5\\̲~̲ + 5.3V，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 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
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

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  由于控制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 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)
SCK	14	18
MOSI	13	23
MISO	12	19

2、ESP32实验转接板

  利用 ESP32实验转接板 ，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(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。

▲ 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：$16\times 8=128$个1输出，便可以产生$128\times 0.4=51.2\mu s$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)

▲ 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$24\times 3=72bits=9bytes$。

  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：

▲ 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。

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。

▲ 图2.4.4 RGB转换颜色

 

※ 实验总结 ※

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  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。

一、附加测试

1、R2阻值

增加R2的阻值，可以进一步降低输出MOSI的低电平，但是减缓了上升时间，但是控制信号依然可以工作。

▲ 图3.1 更换R2（430欧姆）之后对应的输出波形

2、增加加速电容

▲ 图3.1.2 增加加速电容

▲ 图3.1.3 增加加速电容之后的波形

二、提高SPI的波特率

提高SPI的波特率，可以提高设置颜色的准确率。

from machine                import Pin,Timer,SPI
import time

hspi = SPI(1, 3000000, 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

hspi.write(outbyte)

while True:

    str = [int(s, 16) for s in input('Input RGB\\n').split()]
    print(str)
    rgbbyte = rgb2byte(str[0], str[1], str[2])
    outbyte = rstbyte+rgbbyte+rstbyte

    hspi.write(outbyte)
    hspi.write(outbyte)

    time.sleep_ms(10)

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■ 相关文献链接:

• WS2812
• IO口多路查理复用：三个单片机IO口控制六个LED
• WS2812
• 硬件SPI
• ESP32-S模块转接板设计与实现

● 相关图表链接:

• 图1.1 灯珠控制闪烁
• 图1.1.1 灯带点亮后的效果
• 图1.1.2 WS2812封装与管脚功能定义
• 表2-1-1 RGB 参数
• 图1.2.1 级联方法与编码波形
• 221. 脉冲编码参数
• 图1.2.2 三个WS2812级联发送过程对应的波形
• 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
• 表2-1-1 ESP32 硬件SPI缺省端口
• 图2.1.1 ESP32实验转接板
• 图2.1.2 ESP32中对应的SPI，MOSI，MISO的管脚
• 图2.1.3 测量SPI，MOSI的输出波形
• 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
• 图2.2.1 MOSI信号反向电路
• 图2.2.2 MOSI 输入输出信号
• 图2.2.3 电路参数修改之后输入输出波形
• 图2.3.1 连续输出16个0xff所产生的RESET信号
• 图2.3.2 带有一个RST信号的一组RGB波形
• 图2.3.3 将RGB对应的输出脉冲展开后的波形
• 图2.4.1 DI波形以及对应的WS2812颜色
• 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
• 图2.4.4 RGB转换颜色