簡 介： 利用ESP32中的硬件SPI控制WS2812的顯示。使用了高頻三極管9018 作為輸出接口反向器，確定合適的電阻參數(shù)，驗證了驅(qū)動方案的硬件和軟件的可行性。

01 WS2812

智能集成LED光源 WS2812[1] 通過簡單的外部接口、特有的級聯(lián)方案便于利用MCU完成多個LED控制，極大簡化了LED控制接口。相比于傳統(tǒng)的 單片機LED IO口復(fù)用控制方案[2] ，使用WS2812則更加的簡介。

一、芯片簡介

1、特點與優(yōu)勢

在5050封裝內(nèi)集成有控制電路和RGB芯片，形成完整像素點控制；

內(nèi)置掃執(zhí)行好整形電路，傳遞到級聯(lián)下一節(jié)點時，不會產(chǎn)生信號失真累積效應(yīng)；

內(nèi)置復(fù)位電路與掉電復(fù)位電路；

每個RGB燈都有256亮度級別，可以形成中顏色，刷新頻率不低于400Hz；

通過信號線完成端口級聯(lián)；

傳輸距離在5米之內(nèi)，無需增加額外電路；

在刷新頻率30幀/秒中，低速模式下可以控制不少于512顆燈，高速模式下則超過1024顆燈；

數(shù)據(jù)傳輸速率為800kbps；

顏色一致性強，價格低；

2、應(yīng)用

全色彩模塊；全色彩柔光燈帶；

LED裝飾燈帶；室內(nèi)、室外LED不規(guī)則顯示屏；

3、管腳封裝

▲ 圖1.1.2 WS2812封裝與管腳功能定義

二、工作原理

1、工作電壓

根據(jù) WS2812[3] 數(shù)據(jù)手冊，它的工作電壓范圍在，輸入信號電壓在工作電壓VDD±0.5V范圍內(nèi)。三路LED的參數(shù)：

【表2-1-1 RGB 參數(shù)】

2、控制協(xié)議

WS2812的級聯(lián)控制協(xié)議非常簡單。通過一根信號線就可以進行串行異步信號發(fā)送。

下面顯示了四個WS2812通過數(shù)據(jù)性級聯(lián)的方式。在串行通訊中使用不同高低電平脈沖表示數(shù)據(jù)0,1編碼。

▲ 圖1.2.1 級聯(lián)方法與編碼波形

【221. 脈沖編碼參數(shù)】

下面是三個WS2812級聯(lián)發(fā)送過程對應(yīng)的波形。可以看到通過發(fā)送三組24bit的編碼，可以控制三個級聯(lián)的WS2812燈的顏色。數(shù)據(jù)D1是直接由MCU數(shù)據(jù)端口控制，D2,D3,D4則是WS8212內(nèi)部整形放大后再進行傳輸。

使用RESET編碼，也就是超過50us的低電平形成WS2812輸出鎖定。

▲ 圖1.2.2 三個WS2812級聯(lián)發(fā)送過程對應(yīng)的波形

每組24bit對應(yīng)的的GRB編碼如下所示。發(fā)送顏色順序為GRB，字節(jié)的高位在前。

▲ 圖1.2.3 每組24bit對應(yīng)的的GRB編碼 ?

02 ESP32-SPI

由于控制WS2812的脈沖高低電平在0.85us，0.4us，時間間隔，為了產(chǎn)生這樣的脈沖，使用普通的軟件控制IO口是無法完成的，下面測試使用其中的 硬件SPI[4] 產(chǎn)生控制脈沖信號。

一、ESP32中的硬件SPI

在ESP32中具有兩路硬件SPI端口，可以最快達(dá)到始終速率80MHz，這可以滿足對WS2812的控制脈沖的速率。

1、SPI缺省管腳

如果使用SPI缺省配置管腳，輸出速率可以達(dá)到80MHz，如果使用其它GPIO，則輸出的速率則需要限制在40MHz以下。

【表2-1-1 ESP32 硬件SPI缺省端口】

2、ESP32實驗轉(zhuǎn)接板

利用 ESP32實驗轉(zhuǎn)接板[5] ，測試硬件SPI端口。

▲ 圖2.1.1 ?ESP32實驗轉(zhuǎn)接板

使用SPI id=1，對應(yīng)的SPI，MOSI，MISO的對口為，14,13,12，對應(yīng)的實驗轉(zhuǎn)接板上的輸出管腳如下圖所示，從右往左分別是：

● ?ESP32轉(zhuǎn)接板SPI管腳定義：
???SCK：PIN9
???MISO：PIN8
???MOSI：PIN7

▲ 圖2.1.2 ESP32中對應(yīng)的SPI，MOSI，MISO的管腳

3、測試SPI輸出波形

初始化SPI端口，使得輸出速率為10MHz，輸出數(shù)據(jù)0x55,0xaa，使用示波器觀察MOSI，SPI波形。

（1）測試缺省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)

通過測試波形可以看到輸出SPI的頻率為5MHz。SPI正常的電平為低電平。

▲ 圖2.1.3 測量SPI，MOSI的輸出波形

設(shè)置輸出的波特率為2.5MHz，此時便可以輸出 0.4us 的低脈沖。

設(shè)置輸出波特率為2.5MHz，可以產(chǎn)生所需要的0.4us的電平輸出。波形如下圖所示：

▲ 圖2.1.4 設(shè)置輸出波特率為2.5MHz，可以產(chǎn)生所需要的0.4us的電平輸出

二、使用晶體管反向MOSI

使用晶體管將MOSI波形進行反向，這可以：

能夠滿足WS2812控制脈沖電平極性要求。它要求控制信號在平時為高電平，通過低電平脈沖獲得復(fù)位信號、0/1數(shù)據(jù)位信號。

提高帶載能力。

1、信號反向電路

▲ 圖2.2.1 MOSI信號反向電路

2、電路測試

（1）晶體管BC547

由于BC547B的截止頻率只有300MHz，信號通過BC547之后，引起了很大的失真。下圖顯示了信號波形。

▲ 圖2.2.2 MOSI 輸入輸出信號

（2）晶體管9018

為了提高響應(yīng)速度，對電路進行如下的調(diào)整：

● ?電路元器件參數(shù)：
???Q1：9018
???R1：10k
???R2：200

▲ 圖2.2.3 ?電路參數(shù)修改之后輸入輸出波形

三、產(chǎn)生控制波形

1、產(chǎn)生RESET信號

根據(jù)WS2812控制信號協(xié)議，RESET是時長超過50us的低電平，因此，在2.5MHz的波特率下，連續(xù)輸出125bit的高電平，也就是16個byte的0xff，則可以產(chǎn)生：個1輸出，便可以產(chǎn)生的低電平。

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、產(chǎn)生RGB數(shù)據(jù)

根據(jù)WS2812協(xié)議，每一組RGB需要24個bit，每個bit可以有SPI輸出的3個bit來表示，因此輸出一組RGB數(shù)據(jù)，則需要SPI輸出。

由于存在MOSI輸出反向，所以對應(yīng)的RGB輸出的高低電平需要進行反相。

● ?RGB的0,1bit對應(yīng)SPI：
???RGB-0：SPI-011
???RGB-1：SPI-001

（1）轉(zhuǎn)換代碼

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）輸出波形

輸出RGB分別為:0xff, 0x80, 0x3f，對應(yīng)的數(shù)據(jù)波形為：

▲ 圖2.3.2 帶有一個RST信號的一組RGB波形

將RGB對應(yīng)的輸出脈沖展開后的波形，可以檢查輸出波形是否符合WS2812對應(yīng)的控制信號協(xié)議。

▲ 圖2.3.3 將RGB對應(yīng)的輸出脈沖展開后的波形

四、測試WS2812

1、波形失真

編程輸出RGB為（0xff，0x0,0x0），對應(yīng)WS2812應(yīng)該是輸出紅色，但直接接入之后，WS2812輸出為白色。

通過觀察DI的波形，可以看到它處于高電平的時間超過400us，并且低電平大約為1.5V。這說明Q1的驅(qū)動不足。

▲ 圖2.4.1 DI波形以及對應(yīng)的WS2812顏色

2、降低R1的阻值

降低R1阻值，提高Q1響應(yīng)時間，以及輸出低電平降低。最后將R1的阻值更換成3.3k歐姆之后，D1波形有了改善，此時WS2812的顏色與設(shè)置的參數(shù)相符了。

▲ 圖2.4.2 DI波形以及對應(yīng)的WS2812顏色 ▲ 圖2.4.3 最終對應(yīng)的電路圖中的參數(shù)

3、RGB轉(zhuǎn)換顏色

編程依次輸出RGB顏色。

3、RGB轉(zhuǎn)換顏色

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)

下面顯示了WS2812在SPI輸出波形控制下完成顏色的轉(zhuǎn)換。

▲ 圖2.4.4 ?RGB轉(zhuǎn)換顏色

※ 實驗總結(jié) ※

利用ESP32中的硬件SPI輸出脈沖波形，控制WS2812響應(yīng)。

通過電路調(diào)整，選擇了高頻晶體管9018 作為輸出反向晶體管，確定了放大電路參數(shù)，測試驗證了利用高速SPI控制WS2812的硬件電路和軟件。

參考資料

[1]WS2812: https://wenku.baidu.com/view/c8b79d88fad6195f312ba6d3.html

[2]單片機LED IO口復(fù)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實驗轉(zhuǎn)接板: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115563474

編輯：黃飛

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