STM32应用开发——使用PWM+DMA驱动WS2812_stm32 pwm dma

STM32应用开发——使用PWM+DMA驱动WS2812

前言

串行灯带的应用十分广泛，其中以WS2812最为经典，这种灯带一般都是通过单总线的方式来驱动，也就是由一根数据线按照特定的时序输出，继而驱动灯带。这种方式在硬件和软件上都非常简单，但是如果软件用GPIO模拟时序的话比较占用主线程的资源，因此，如果能用硬件外设（比如PWM、SPI、串口）来模拟出这个时序，就能节省MCU的资源。
本文以PWM+DMA为例介绍如何驱动WS2812。

1 硬件介绍

1.1 WS2812介绍

1.1.1 芯片简介

WS2812是一款智能控制LED光源，其外观采用最新的MOLDING封装技术、控制电路和RGB芯片集成在2020组件的封装中。其内部包括智能数字端口数据锁存和信号整形放大驱动电路。还包括精密内部振荡器和电压可编程恒流控制部分，有效保证像素点光源的颜色。

1.1.2 引脚描述

1.1.3 工作原理

通过级联法把每个灯的DI和DO引脚首尾相连，数据可以从第一个IC开始，不断的传输到后面每一个IC，从而实现整条灯带的控制。

1.1.4 时序

WS2812通过不同的时序来表示0码、1码和复位码，如下图所示：

其中各信号的电平如下图所示：

注：不同型号的芯片在时序上会有点差异，具体以芯片数据手册为准。

1.1.5 传输协议

传输过程如下图所示：

每一个灯珠的RGB数据排列如下：

1.2 电路设计

WS2812的控制方法很简单，每个灯珠首尾相接进行级联即可，如下图所示：

其中，第一个灯珠的DI引脚接入到MCU的一个GPIO上面。

我这里使用STM32F103来作为主控MCU，引脚接线如下：

2 软件编程

2.1 软件原理

通过DMA可以精确控制PWM输出的每一个方波，然后通过调整占空比，就可以输出0码、1码和复位码，从而实现灯珠的驱动。
举个例子：按照上面的手册的时序要求，每一个逻辑电平周期在1.25us左右，也就是800kHz，那么PWM输出的频率就可以设置为800kHz。此时改变PWM的占空比，就可以区分编码“0”和编码“1”，比如编码“0”的高电平脉宽和低电平脉宽分别为0.4us和0.85us，那么对应的PWM占空比就是32%和68%，然后通过DMNA连续传输RGB数据就可以实现灯带的颜色和亮度控制。

测试电平时序如下：

2.2 测试代码

根据上述原理，编写测试代码。

2.2.1 底层驱动

ws2812_driver.h :

#ifndef __WS2812_DRIVER_H
#define __WS2812_DRIVER_H

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"

#define TIM2_CCR1_Address 0x40000034  // stm32 tim2 base address offset 0x34

#define LED_NUM     8    // LED的数量
#define RGB_BIT     24   // 每个灯有24bit的RGB数据，依次按G R B排列

#define RESET_WORD  5    // 在传输RGB数据前保持一段低电平
#define DUMMY_WORD  5    // 在传输RGB数据后保持一段低电平

#define TIMING_0    29   // T0H(32%) = 1.25us * (29 / 90) = 0.40us, T0L(68%) = 1.25 - 0.40 = 0.85us 
#define TIMING_1    61   // T1H(68%) = 1.25us * (61 / 90) = 0.85us, T1L(32%) = 1.25 - 0.85 = 0.40us 

void led_display(uint8_t (*led_buf)[3], uint8_t led_num);
void ws2812_init(void);

#endif
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ws2812_driver.c :

#include "ws2812_driver.h"
#include "string.h"

uint16_t pwm_dma_buf[RESET_WORD + RGB_BIT * LED_NUM + DUMMY_WORD];

void pwm_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;			
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 90 - 1;     // 72MHz / 90 = 800kHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    /* PWM2 Mode configuration: Channel1 */
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 50;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);

	// TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);

    /* TIM2 enable counter */
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void pwm_dma_init(void)
{
    /* configure DMA */
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;//定义DMA初始化结构体

    /* DMA clock enable */
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);	//使能DMA时钟（用于SPI的数据传输）

    memset((uint8_t*)&pwm_dma_buf, 0, sizeof(pwm_dma_buf));

    /* DMA1 Channel5 Config for PWM2 by TIM2_CH1*/
    DMA_DeInit(DMA1_Channel5);
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)TIM2_CCR1_Address;	// physical address of Timer 3 CCR1
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&pwm_dma_buf;		// this is the buffer memory 
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;						// data shifted from memory to peripheral
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = sizeof(pwm_dma_buf)/2;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;					// automatically increase buffer index
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;							// stop DMA feed after buffer size is reached
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);

    /* TIM2 DMA Request enable */
    TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC1, ENABLE);
    TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_Update, ENABLE);
}

void pwm_dma_send(void)
{
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel5, sizeof(pwm_dma_buf)/2); 	// load number of bytes to be transferred
    DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE); 			// enable DMA channel 5
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); 						// enable Timer 2
    while(!DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC5)) ; 	// wait until transfer complete
    DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE); 			// disable DMA channel 5
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5); 				// clear DMA1 Channel 5 transfer complete flag
    TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); 	// disable Timer 2
}

void led_display(uint8_t (*led_buf)[3], uint8_t led_num)
{
	uint8_t i, j;

	// led_buf -> pwm_dma_buf
	for(i = 0; i < led_num; i++)
	{// N led
		for(j = 0; j < 8; j++)
		{// 1 color -> 8bit
			// g
			pwm_dma_buf[RESET_WORD+RGB_BIT*i+j] = ((led_buf[i][1] << j) & 0x80) ? TIMING_1 : TIMING_0;
			// r
			pwm_dma_buf[RESET_WORD+RGB_BIT*i+j+8] = ((led_buf[i][0] << j) & 0x80) ? TIMING_1 : TIMING_0;
			// b
			pwm_dma_buf[RESET_WORD+RGB_BIT*i+j+16] = ((led_buf[i][2] << j) & 0x80) ? TIMING_1 : TIMING_0;
		}
	}
	// pwm start
	pwm_dma_send();
}

void ws2812_init(void)
{
    pwm_init();
    pwm_dma_init();
}
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2.2.2 灯效应用

ws2812_app.h :

#ifndef __WS2812_APP_H
#define __WS2812_APP_H

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"
#include "ws2812_driver.h"

typedef enum 
{
	LED_MODE_OFF,
	LED_MODE_ALL_ON,	
	LED_MODE_BREATHE,	
	LED_MODE_GRADIENT,
	LED_MODE_FLOW,	
}led_mode_t;

typedef struct
{
    led_mode_t mode;  
    uint8_t g;                
	uint8_t r;              
	uint8_t b;              
	uint8_t brightness;  
}led_t;

void led_init(void);
void led_handle(void);

#endif
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ws2812_app.c :

#include "ws2812_app.h"

led_t led;
uint8_t rgb_buf[LED_NUM][3];

void led_init(void)
{
    ws2812_init();

	led.mode = LED_MODE_ALL_ON;
	led.r = 0x00;
	led.g = 0xE0;
	led.b = 0x80;
}

void led_handle(void)
{
	uint8_t i;
    switch (led.mode)
	{
	case LED_MODE_OFF:
		for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
		{
			rgb_buf[i][0] = 0;  // r
			rgb_buf[i][1] = 0;  // g
			rgb_buf[i][2] = 0;  // b
		}
		break;
	case LED_MODE_ALL_ON:
		for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
		{
			rgb_buf[i][0] = led.r;  // r
			rgb_buf[i][1] = led.g;  // g
			rgb_buf[i][2] = led.b;  // b
		}
		break;
	// ......可以自己加入更多的灯效
	default:
		break;
	}
	
	led_display(rgb_buf, LED_NUM);
}
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main.c :

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "ws2812_app.h"

int main(void)
{
    SystemInit();
    delay_init();
    led_init();
    while(1)
    {
        led_handle();
        delay_ms(5);
    }
}

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2.3 运行测试

2.3.1 时序测试

使用逻辑分析仪抓取信号，得到的结果如下：

1. 8个LED连续写入RGB值:
   

2. 编码1高电平（T1H）850ns：
   

3. 编码1低电平（T1L）400ns：
   

4. 编码1周期1.25us：
   

5. 编码0高电平（T0H）400ns：
   

6. 编码0高电平（T0H）850ns：
   

7. 编码0周期1.25us：
   

结论：实际输出的波形和理论一致。

2.3.2 实际效果

用在线颜色选取器把代码设置的颜色值输入进去，得到该颜色，然后和实际灯带点亮的颜色比对。

1. 颜色拾取器显示如下：
   
2. 实际灯带颜色如下：
   

结论：灯带实际显示的颜色准确无误。

结束语

关于stm32如何使用PWM+DMA驱动WS2812的讲解就到这里，如果还有什么问题，欢迎在评论区留言。

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