驱动全彩LED灯带---WS2812B芯片

老小孩

原创

发布时间: 2025-08-02 10:25:09 | 阅读数

LED

彩色LED

WS2812

上次做了摄影灯以后，在想如果摄影灯的颜色可以调整，产生各种颜色就好了，于是上网搜索关于彩色LED灯珠以及驱动的原理，发现有一款LED灯珠，它内部自带驱动芯片---WS2812,下面咱们一起研究一下这个WS2812.

准备材料

硬件连接

软件驱动原理

代码部分

我用的PA8引脚驱动的，用TIM1定时器生成PWM信号，用DMA直接传输数据。

ws2812.h文件：

#ifndef __WS2812_H

#define __WS2812_H

#include "sys.h"

// 配置参数

#define WS2812B_NUM_LEDS 60 // LED数量

#define WS2812B_TIM TIM1 // 使用定时器1

#define WS2812B_TIM_CHANNEL TIM_Channel_1 // 通道1

#define WS2812B_GPIO_PORT GPIOA

#define WS2812B_GPIO_PIN GPIO_Pin_8

#define WS2812B_DMA DMA1

#define WS2812B_DMA_CHANNEL DMA1_Channel2 // TIM1_CH1对应DMA1通道2

#define WS2812B_DMA_FLAG DMA1_FLAG_TC2

// PWM参数 (基于72MHz系统时钟)

#define PWM_PERIOD 90 // PWM周期(1.25us)

#define PWM_ZERO_HIGH 28 // 0码高电平时间(0.39us)

#define PWM_ONE_HIGH 53 // 1码高电平时间(0.74us)

#define BIT_PER_LED 24 // 每个LED24位数据

#define RESET_CYCLES 80 // 复位周期(100us)

// 颜色结构 (GRB顺序)

typedef struct {

uint8_t g;

uint8_t r;

uint8_t b;

} GRB_Color;

// 函数声明

void WS2812B_Init(void);

void WS2812B_SetPixel(uint16_t index, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b);

void WS2812B_SetAll(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b);

void WS2812B_Clear(void);

void WS2812B_Update(void);

uint8_t WS2812B_IsUpdating(void);

#endif /* __WS2812B_H */

ws2812.c文件：

#include "ws2812.h"

#include <string.h>

#include "math.h"

// DMA缓冲区大小

#define DMA_BUFFER_SIZE (WS2812B_NUM_LEDS * BIT_PER_LED + RESET_CYCLES)

// 全局变量

static GRB_Color led_buffer[WS2812B_NUM_LEDS];

static uint16_t dma_buffer[DMA_BUFFER_SIZE];

static volatile uint8_t is_updating = 0;

// 初始化函数

void WS2812B_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

// 1. 使能时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO |

RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

// 2. 配置GPIO - PA8 (TIM1_CH1)

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = WS2812B_GPIO_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 高速输出

GPIO_Init(WS2812B_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

// 3. 配置定时器基础

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWM_PERIOD - 1; // ARR值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; // 不分频

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; // 高级定时器需要

TIM_TimeBaseInit(WS2812B_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

// 4. 配置PWM输出

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Disable; // 互补输出禁用

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;

TIM_OC1Init(WS2812B_TIM, &TIM_OCInitStructure); // 通道1

// 5. 配置DMA

DMA_DeInit(WS2812B_DMA_CHANNEL);

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(WS2812B_TIM->CCR1); // 目标地址

DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)dma_buffer; // 源地址

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; // 内存到外设

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = DMA_BUFFER_SIZE; // 传输数据量

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不变

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址递增

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 16位

DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // 16位

DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; // 正常模式

DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; // 高优先级

DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; // 内存到外设模式

DMA_Init(WS2812B_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);

// 6. 配置DMA中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel2_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

DMA_ITConfig(WS2812B_DMA_CHANNEL, DMA_IT_TC, ENABLE); // 使能传输完成中断

// 7. 配置DMA请求

TIM_DMACmd(WS2812B_TIM, TIM_DMA_CC1, ENABLE); // 使能TIM1 CH1的DMA请求

// 8. 高级定时器需要MOE主输出使能

TIM_CtrlPWMOutputs(WS2812B_TIM, ENABLE);

// 9. 启动定时器

TIM_Cmd(WS2812B_TIM, ENABLE);

// 10. 初始化缓冲区

WS2812B_Clear();

memset(dma_buffer, 0, sizeof(dma_buffer));

}

// 设置单个LED颜色

void WS2812B_SetPixel(uint16_t index, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)

{

if (index < WS2812B_NUM_LEDS)

{

led_buffer[index].r = r;

led_buffer[index].g = g;

led_buffer[index].b = b;

}

// 设置所有LED为相同颜色

void WS2812B_SetAll(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)

{

uint16_t i;

for (i = 0; i < WS2812B_NUM_LEDS; i++) {

WS2812B_SetPixel(i, r, g, b);

}

// 关闭所有LED

void WS2812B_Clear(void)

{

memset(led_buffer, 0, sizeof(led_buffer));

}

// 检查是否正在更新

uint8_t WS2812B_IsUpdating(void)

{

return is_updating;

}

// 更新LED显示

void WS2812B_Update(void)

{

uint16_t i;

uint32_t j, color;

int8_t bit;

// 等待上一次传输完成

if (is_updating) return;

uint32_t pos = 0;

// 1. 将LED颜色数据转换为PWM占空比序列

for (i = 0; i < WS2812B_NUM_LEDS; i++)

{

// 组合GRB数据 (WS2812B使用GRB顺序)

color = ((uint32_t)led_buffer[i].g << 16) |

((uint32_t)led_buffer[i].r << 8) |

(uint32_t)led_buffer[i].b;

// 将24位颜色数据转换为PWM占空比值

for (bit = 23; bit >= 0; bit--) {

dma_buffer[pos++] = (color & (1UL << bit)) ? PWM_ONE_HIGH : PWM_ZERO_HIGH;

}

// 2. 添加复位信号 (低电平)

for (j = 0; j < RESET_CYCLES; j++)

{

dma_buffer[pos++] = 0; // 占空比为0 -> 低电平

}

// 3. 清除DMA标志

DMA_ClearFlag(WS2812B_DMA_FLAG);

// 4. 重新配置DMA

DMA_Cmd(WS2812B_DMA_CHANNEL, DISABLE);

DMA_SetCurrDataCounter(WS2812B_DMA_CHANNEL, DMA_BUFFER_SIZE);

DMA_Cmd(WS2812B_DMA_CHANNEL, ENABLE);

// 5. 设置更新标志

is_updating = 1;

}

// DMA传输完成中断处理

void DMA1_Channel2_IRQHandler(void)

{

if (DMA_GetITStatus(WS2812B_DMA_FLAG))

{

DMA_ClearITPendingBit(WS2812B_DMA_FLAG);

is_updating = 0; // 清除更新标志

// 强制GPIO输出低电平，确保复位时间

GPIO_ResetBits(WS2812B_GPIO_PORT, WS2812B_GPIO_PIN);

}

main.c文件：

#include "sys.h"

#include "ws2812.h"

#include "math.h"

// 系统时钟配置 (72MHz)

void SystemClock_Config(void) {

// 启用外部高速晶振

RCC_DeInit();

RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);

// 等待HSE就绪

if (RCC_WaitForHSEStartUp() == SUCCESS) {

// 设置PLL

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); // 8MHz * 9 = 72MHz

// 设置各总线预分频

RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); // AHB = 72MHz

RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); // APB1 = 36MHz

RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); // APB2 = 72MHz

// 启用PLL

RCC_PLLCmd(ENABLE);

// 等待PLL就绪

while (RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET);

// 选择PLL作为系统时钟

RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

// 等待系统时钟源切换完成

while (RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08);

}

// 简单延时函数

void Delay(uint32_t n)

{

volatile uint32_t i;

for(; n > 0; n--)

{

for(i = 0; i < 1000; i++);

}

// HSV转RGB函数

GRB_Color HSVtoRGB(float h, float s, float v)

{

float r, g, b;

int i = (int)(h * 6);

float f = h * 6 - i;

float p = v * (1 - s);

float q = v * (1 - f * s);

float t = v * (1 - (1 - f) * s);

switch (i % 6)

{

case 0: r = v; g = t; b = p; break;

case 1: r = q; g = v; b = p; break;

case 2: r = p; g = v; b = t; break;

case 3: r = p; g = q; b = v; break;

case 4: r = t; g = p; b = v; break;

case 5: r = v; g = p; b = q; break;

}

GRB_Color color;

color.r = (uint8_t)(r * 255);

color.g = (uint8_t)(g * 255);

color.b = (uint8_t)(b * 255);

return color;

}

int main(void)

{

// 简单测试序列

uint8_t state = 0;

uint16_t led_index = 0;

float hue = 0.0f;

uint16_t i;

int brightness;

SystemClock_Config(); // 配置系统时钟

// LED_Init(); // 初始化板载LED(调试用)

WS2812B_Init(); // 初始化WS2812B

WS2812B_SetPixel(5, 30, 0, 0);

WS2812B_Update();

while(WS2812B_IsUpdating());

WS2812B_SetPixel(6, 0, 0, 30);

WS2812B_Update();

while(WS2812B_IsUpdating());

while (1)

{

// 板载LED闪烁指示系统运行

GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12, (BitAction)(state ^= 1));

// 模式1: 彩虹效果

for (hue = 0; hue < 1.0f; hue += 0.005f)

{

for (i = 0; i < WS2812B_NUM_LEDS; i++)

{

// 每个LED有不同的色相偏移

float ledHue = fmod(hue + (float)i / WS2812B_NUM_LEDS, 1.0f);

GRB_Color color = HSVtoRGB(ledHue, 1.0f, 0.5f);

WS2812B_SetPixel(i, color.r, color.g, color.b);

}

WS2812B_Update();

// 等待更新完成

while(WS2812B_IsUpdating());

Delay(5);

}

// 模式2: 跑马灯效果

for (led_index = 0; led_index < WS2812B_NUM_LEDS; led_index++)

{

WS2812B_Clear();

// 创建跑马灯效果 (5个LED一组)

for (i = 0; i < 5; i++)

{

uint16_t pos = (led_index + i) % WS2812B_NUM_LEDS;

WS2812B_SetPixel(pos, 0, 50, 50); // 青色

}

WS2812B_Update();

// 等待更新完成

while(WS2812B_IsUpdating());

Delay(10);

}

// 模式3: 呼吸灯效果

for (brightness = 0; brightness < 100; brightness++)

{

for (i = 0; i < WS2812B_NUM_LEDS; i++)

{

WS2812B_SetPixel(i, brightness, brightness, brightness);

}

WS2812B_Update();

while(WS2812B_IsUpdating());

Delay(2);

}

for (brightness = 100; brightness > 0; brightness--)

{

for (i = 0; i < WS2812B_NUM_LEDS; i++)

{

WS2812B_SetPixel(i, brightness, brightness, brightness);

}

WS2812B_Update();

while(WS2812B_IsUpdating());

Delay(2);

}

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