利用SPI控制WS2812的显示

　　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
　　01WS2812
　　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LEDIO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。2WS2812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VDD0。5V范围内。三路LED的参数：
　　【表211RGB参数】
　　EmittingcolorWavelength（nm）Luminousintensity（mcd）Current（mA）Voltage（V）Red620630550700161。82。2Green51553011001400162。83。1Blue465475200400163。03。42、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T0H0code，highvoltagetime0。4us150nsT1H1code，highvoltagetime0。85us150nsT0L0code，lowvoltagetime0。85us150nsT1L1code，lowvoltagetime0。4us150nsRESlowvoltagetimeAbove50s
　　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02ESP32SPI
　　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211ESP32硬件SPI缺省端口】
　　管脚HSPI（id1）HSPI（id2）SCK1418MOSI1323MISO12192、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。1ESP32实验转接板
　　使用SPIid1，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。2ESP32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frommachineimportPin，Timer，SPIimporttimehspiSPI（1，10000000，sckPin（14），mosiPin（13），misoPin（12））bufbytes（（0x55，0xaa））print（buf）whileTrue：hspi。write（buf）time。sleepms（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、01数据位信号。提高带载能力。1、信号反向电路
　　图2。2。1MOSI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。2MOSI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。frommachineimportPin，Timer，SPIimporttimehspiSPI（1，2500000，sckPin（14），mosiPin（13），misoPin（12），polarity0）bufbytes（〔0xff〕16）print（buf）whileTrue：hspi。write（buf）time。sleepms（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：
　　RGB0：SPI011
　　RGB1：SPI001（1）转换代码frommachineimportPin，Timer，SPIimporttimehspiSPI（1，2500000，sckPin（14），mosiPin（13），misoPin（12），polarity0）defbyte2bin（b）：bstrbin（b）〔2：〕return0（8len（bstr））bstrdefrgb2byte（r，g，b）：strbyte2bin（g）byte2bin（r）byte2bin（b）spistr。join（〔（lambdas：011ifs0else001）（x）forxinstr〕）rgbdim〔int（spistr〔i8：i88〕，2）foriinrange（9）〕returnbytes（rgbdim）rgbbytergb2byte（0xff，0x80，0x3f）print（rgbbyte）rstbytebytes（〔0xff〕16）outbyterstbytergbbytewhileTrue：hspi。write（outbyte）time。sleepms（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。1DI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。2DI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frommachineimportPin，Timer，SPIimporttimehspiSPI（1，2500000，sckPin（14），mosiPin（13），misoPin（12），polarity0）defbyte2bin（b）：bstrbin（b）〔2：〕return0（8len（bstr））bstrdefrgb2byte（r，g，b）：strbyte2bin（g）byte2bin（r）byte2bin（b）spistr。join（〔（lambdas：011ifs0else001）（x）forxinstr〕）rgbdim〔int（spistr〔i8：i88〕，2）foriinrange（9）〕returnbytes（rgbdim）rgbbytergb2byte（0xff，0x0，0x0）rstbytebytes（〔0xff〕16）outbyterstbytergbbyterstbytewhileTrue：rgbbytergb2byte（0xff，0x0，0x0）outbyterstbytergbbyterstbytehspi。write（outbyte）time。sleepms（500）rgbbytergb2byte（0x0，0xff，0x0）outbyterstbytergbbyterstbytehspi。write（outbyte）time。sleepms（500）rgbbytergb2byte（0x0，0x0，0xff）outbyterstbytergbbyterstbytehspi。write（outbyte）time。sleepms（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。4RGB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。comviewc8b79d88fad6195f312ba6d3。html
　　〔2〕
　　单片机LEDIO口复用控制方案：https：zhuoqing。blog。csdn。netarticledetails116725947
　　〔3〕
　　WS2812：https：d2j2m4p6r3pg95。cloudfront。netmodulefilesledcubeassetsdatasheetsWS2812B。pdf
　　〔4〕
　　硬件SPI：https：docs。micropython。orgenlatestesp32quickref。htmlhardwarespibus
　　〔5〕
　　ESP32实验转接板：https：zhuoqing。blog。csdn。netarticledetails115563474