利用SPI控制WS2812的显示

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　　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
　　   智 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 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
　　   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 [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) 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。
　　▲ 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：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)
　　▲ 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(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WS28121、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(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 ※
　　   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