[導(dǎo)讀]“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。關(guān)鍵詞：WS2812，ESP32，SPI”01WS2812??智能集成LED光源WS2812[1]通過簡單的外部接口、特...
“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。
關(guān)鍵詞：WS2812，ESP32，SPI”
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(jī)LED IO口復(fù)用控制方案[2] ，使用WS2812則更加的簡介。
▲ 圖1.1 燈珠控制閃爍
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)；
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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(qiáng)，價格低；
▲ 圖1.1.1 燈帶點亮后的效果
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)】
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(jìn)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)】
脈沖
定義
時間
誤差
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(jìn)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▲ 圖1.1.3 燈帶點亮后的效果
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】
管腳
HSPI(id=1)
HSPI(id=2)
SCK
14
18
MOSI
13
23
MISO
12
19
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(jìn)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(jìn)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)
▲ 圖2.3.1 連續(xù)輸出16個0xff所產(chǎn)生的RESET信號
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(jìn)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。
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