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RT-Thread驱动WS2812-PWM+DMA

演示视频​

WS2812简介​

以下内容节选自WS2812数据手册

概述​

​ WS2812B是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。其外型与一个5050LED灯珠相同，每 个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，还包含有高精度的内 部振荡器和12V高压可编程定电流控制部分，有效保证了像素点光的颜色高度一致。 ​ 数据协议采用单线归零码的通讯方式，像素点在上电复位以后，DIN端接受从控制器传输过来的数据，首先 送过来的24bit数据被第一个像素点提取后，送到像素点内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路 整形放大后通过DO端口开始转发输出给下一个级联的像素点，每经过一个像素点的传输，信号减少24bit。像素 点采用自动整形转发技术，使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制，仅仅受限信号传输速度要求。 ​ LED具有低电压驱动，环保节能，亮度高，散射角度大，一致性好，超低功率，超长寿命等优点。将控制电 路集成于LED上面，电路变得更加简单，体积小，安装更加简便。

机械尺寸​

0

引脚功能​

1

电气参数​

2

时序波形图​

3

数据传输时间( TH+TL=1.1µs±300ns)​

4

数据传输方法​

注：其中 D1 为 MCU 端发送的数据，D2、D3、D4 为级联电路自动整形转发的数据。

5

数据结构及应用电路​

6

WS2812驱动方式​

目前驱动ws2812的方式可以概括为3中

  1. 直接使用IO口操作：由于WS2812的数据位在ns级别，这对于低速单片机极不友好，占用CPU资源
  2. SPI+DMA：SPI总线的频率设置在某一特定频率的时候，刚好可以模拟出WS2812的数据位，但实际上发现任然有很多问题，例如在RGB值给到10以下会出时序不对的情况，单片机的SPI接口一般较少，占用了稀缺的资源
  3. PWM+DMA：PWM本身由定时器产生，不占用CPU时间，由DMA来负责改变定时器的波形，CPU只需要填充好一条灯带的数据，告诉DMA控制器即可完成一整条灯带的控制；其次定时器资源在现代MCU中是非常丰富的，因此推荐此方式

例如在rtt中，maplerian也为其开发了一款软件包rt_ws2812b，使用 SPI + DMA 方式驱动。因为Rt-thread的设备驱动中对SPI的DMA模式有良好的支持。但其也有不少问题，例如第一个灯的颜色始终不正常，1个ws2812b节点需要 2 x 8 x 3 = 48字节 因此，太多节点谨慎使用。

Rt-thread中实现​

目前为止，rtt的设备框架中的pwm设备还没有支持pwm的dma模式，因此可以看到在rtt中并没有一款软件包可以支持PWM+DMA的方式来实现WS2812的驱动

那么，是不是就办不成了呢。

当然不是，我们可以直接调用HAL库，不经过其设备驱动层，直接访问底层资源，当然这样做有几个限制：

  1. 无法适配不同的MCU，不同平台，可移植性收到限制
  2. 无法作为软件包发布

但，只要掌握方法，在任何平台移植就行，该问题需要Rt-thread在以后的版本中将pwm的dma模式加上，届时再改进

使用cubemx生成PWM与DMA配置文件​

由于我是用的是Rt-thread Studio，4.0.2版本以后在Studio中创建的工程都会有CubeMx Setting选项，双击打开cube配置

开启定时器4的第一路通道选择pwm生成

10

配置定时器重载值（系统时钟频率为168MHZ）

11

配置DMA

12

拷贝配置文件​

生成之后，在文件树中cubemx文件夹下即可看到生成之后的代码，但这不是全部，因为有些部分没有添加到编译中来，因此我们右键，在文件资源管理器中打开。

在工程中新建文件ws2812_port.c

  1. 将cubemx/src/main.c 中的MX_TIM4_Init 拷贝过来
  2. 将cubemx/src/main.c 中的MX_DMA_Init拷贝到MX_TIM4_Init前
  3. 将cubemx/src/stm32f4xx_it.c 中的DMA1_Stream0_IRQHandler拷贝过来
  4. 拷贝htim4以及hdma_tim4_ch1的定义

因为main.c和stm32f4xx_it.c在rtt中默认不会被编译，因此需要自己编写，这里使用cubemx生成拷贝，简化流程。 在末尾使用了INIT_BOARD_EXPORT，该函数会自动在启动时被调用，完成底层的初始化。 程序如下（ws2812_port.c）

#include "board.h"

extern void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef *htim);

TIM_HandleTypeDef htim4;
DMA_HandleTypeDef hdma_tim4_ch1;

void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_tim4_ch1);
}

int MX_TIM4_Init(void)
{
    /* USER CODE BEGIN TIM4_Init 0 */
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE()
    ;
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream0_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream0_IRQn);
    /* USER CODE END TIM4_Init 0 */

    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = { 0 };
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = { 0 };
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = { 0 };

    /* USER CODE BEGIN TIM4_Init 1 */

    /* USER CODE END TIM4_Init 1 */
    htim4.Instance = TIM4;
    htim4.Init.Prescaler = 0;
    htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim4.Init.Period = 104;
    htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim4.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim4) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim4, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim4) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim4, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 59;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim4, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    /* USER CODE BEGIN TIM4_Init 2 */

    /* USER CODE END TIM4_Init 2 */
    HAL_TIM_MspPostInit(&htim4);
    return 0;
}

INIT_BOARD_EXPORT(MX_TIM4_Init);

WS2812的驱动​

底层完成之后，即可直接调用HAL库驱动WS2812

ws2812.c

#include "rtthread.h"
#include "board.h"
#include "ws2812.h"

extern TIM_HandleTypeDef htim4;

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
}

uint16_t RGB_buffur[RESET_PULSE + WS2812_DATA_LEN] = { 0 };
uint16_t *ptr;

void ws2812_set_rgb(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t num)
{
    //指针偏移:需要跳过复位信号的N个0
    uint16_t* p = (RGB_buffur + RESET_PULSE) + (num * LED_DATA_LEN);

    for (uint16_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        //填充数组
        p[i] = (G << i) & (0x80) ? ONE_PULSE : ZERO_PULSE;
        ptr[i] = p[i];
        p[i + 8] = (R << i) & (0x80) ? ONE_PULSE : ZERO_PULSE;
        ptr[i + 8] = p[i + 8];
        p[i + 16] = (B << i) & (0x80) ? ONE_PULSE : ZERO_PULSE;
        ptr[i + 16] = p[i + 16];
    }
}

void ws2812_set_all_rgb(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t led_nums)
{
    uint16_t num_data;
    num_data = 80 + led_nums * 24;
    for (uint8_t i = 0; i < led_nums; i++)
    {
        ws2812_set_rgb(R, G, B, i);
    }
    HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim4, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t *) RGB_buffur, (num_data));
}

void ws2812_init(uint8_t led_nums)
{
    ws2812_set_all_rgb(255, 255, 255, led_nums);
}

ws2812.h

#ifndef  WS2812B_H
#define  WS2812B_H

#define ONE_PULSE        (69)                           //1 码计数个数
#define ZERO_PULSE       (35)                           //0 码计数个数
#define RESET_PULSE      (80)                           //80 复位电平个数（不能低于40）
#define LED_NUMS         (100)                          //led 个数
#define LED_DATA_LEN     (24)                           //led 长度，单个需要24个字节
#define WS2812_DATA_LEN  (LED_NUMS*LED_DATA_LEN)        //ws2812灯条需要的数组长度

void ws2812_init(uint8_t led_nums);
void ws2812_set_rgb(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t num);
void ws2812_set_all_rgb(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B, uint16_t led_nums);

#endif

现象​

如成功驱动，在开机时调用ws2812_init，所有灯会变为白色。

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