WS2812E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。
模块来源
规格参数
工作电压:3.7-5.3V
工作电流:16MA
控制方式:单总线
管脚数量:4 Pin(2.54mm间距排针)
以上信息见厂家资料文件
移植过程
我们的目标是将例程移植至开发板上【能够实现设置彩灯颜色的功能】。首先要获取资料,查看数据手册应如何实现读取数据,再移植至我们的工程。
查看资料
WS2812的数据协议采用单线归零码的通讯方式,支持串行级联接口,能通过一根信号线完成数据的接收与解码。每个灯就是一个像素点,每个像素点的三基色颜色可实现256级亮度显示,完成16777216种颜色的全真色彩显示。
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,仅受限信号传输速度要求。
控制方式
因为使用的是单总线,一根线完成一个灯要显示的24位颜色数据,是通过高低电平的时间长度来确定发送的是什么数据。24位的数据结构见下图。
其中G代表三色中的绿色,R代表三色中的红色,B表示三色中的蓝色。例如想要只显示红色则发送 0X00FF00即可。
控制时序
发送24位颜色数据,是通过高低电平的时间长度来确定发送的是0还是1。
发送一位数据0,需要总线拉高T0H的时间再拉低T0L的时间,WS2812才会自动识别该数据是0。
发送一位数据1,需要总线拉高T1H的时间再拉低T1L的时间,WS2812才会自动识别该数据是1
WS2812的控制时序是如此的短暂,在RTOS中会有各种各样的干扰稍不注意时序就会乱掉,我们应该用什么样的硬件去帮我们实现控制呢?
我们接下来使用SPI的硬件进行时序控制,我们只需要使用MOSI这个引脚即可。
引脚选择
这里选择的引脚见引脚接线表
代码移植
下载为大家准备的驱动代码文件夹,复制到自己工程中\luban-lite\application\rt-thread\helloworld\user-bsp
文件夹下
提示
如果未找到 user-bsp
这个文件夹,说明你未进行模块移植的前置操作。请转移到手册使用必要操作(点击跳转)中进行必要的配置操作!!!
接下来打开自己的工程,开始修改Kconfig文件。
1、在 VSCode 中打开 application\rt-thread\helloworld\Kconfig 文件
2、在该文件的 #endif
前面添加该模块的 Kconfig路径语句
# WS2812彩灯
source "application/rt-thread/helloworld/user-bsp/ws2812-color-light/Kconfig"
2
menuconfig操作
1、我们 双击 luban-lite
文件夹下的 win_env.bat
脚本打开env工具:
2、输入以下命令列出所有可用的默认配置:
scons --list-def
3、选择 d13x_JLC_rt-thread_helloworld
这个配置!这个是我们衡山派开发板的默认配置!输入以下命令即可:
scons --apply-def=7
或者
scons --apply-def=d13x_JLC_rt-thread_helloworld_defconfig
这两个命令作用是一样的,一个是 文件名 ,一个是 编号 !!!
4、输入以下命令进入menuconfig菜单
scons --menuconfig
进入以下界面:
5、选中 Porting code using the LCKFB module
按
Y
选中按
N
取消选中方向键
左右
调整 最下面菜单的选项方向键
上下
调整 列表的选项
回车
执行最下面菜单的选项
6、回车进入 Porting code using the LCKFB module
菜单
7、按方向键 上下
选中 Using ws2812 colorful lights
后按 Y
键,看到前面括号中出现一个 *
号,就可以下一步了。
8、按方向键 左右
选中 <Save>
然后一路回车
,然后 退出
即可
编译
我们 保存并退出menuconfig菜单 之后,输入以下命令进行编译:
scons
或
scons -j16
-j 用来选择参与编译的核心数: 我这里是选择16
大家可以根据自己的电脑来选择
核心越多编译越快
如果写的数量高于电脑本身,那么就自动按照最高可用的来运行!
镜像烧录
编译完成之后会在 \luban-lite\output\d13x_JLC_rt-thread_helloworld\images
文件夹下生成一个 d13x_JLC_v1.0.0.img
镜像文件!
然后我们烧录镜像,具体的教程请查看:镜像烧录(点击跳转🚀)
到这里完成了,请移步到 最后一节 进行移植验证。
工程代码解析
bsp_ws2812.c
/*
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* 开发板官网:www.lckfb.com
* 文档网站:wiki.lckfb.com
* 技术支持常驻论坛,任何技术问题欢迎随时交流学习
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*/
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#include <sys/time.h>
#include <rtthread.h>
#include "hal_adcim.h"
#include "rtdevice.h"
#include "aic_core.h"
#include "aic_log.h"
#include "hal_gpai.h"
#include <stdio.h>
#include "aic_hal_gpio.h"
#include "bsp_ws2812.h"
#define QPSI_BUS_NANE "qspi3" // qspi总线名称
#define WS2812_DEVICE_NAME "ws2812_device"
#define WS2812_0_CODE 0xC0 // 0码
#define WS2812_1_CODE 0xFC // 1码
#define WS2812_RESET_CODE 0x00 // 复位码
static struct rt_qspi_device *ws2812_device = RT_NULL;
static uint8_t LedsArray[WS2812_MAX * 3]; // 定义颜色数据存储数组
static uint32_t ledsCount = WS2812_NUMBERS; // 定义实际彩灯默认个数
static uint32_t nbLedsBytes = WS2812_NUMBERS*3; // 定义实际彩灯颜色数据个数
/**********************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_Qspi_Attach
* 函 数 功 能:挂载qspi的设备
* 传 入 参 数:无
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LC
* 备 注:LP
**********************************************************/
static int WS2812_Qspi_Attach(void)
{
static struct rt_qspi_device *qspi_device = RT_NULL; // qspi设备结构体
// 为spi结构体申请一片空间
qspi_device = (struct rt_qspi_device *)rt_malloc(sizeof(struct rt_qspi_device));
if(RT_NULL == qspi_device)
{
LOG_E("Failed to malloc the qspi device.");
return -RT_ENOMEM;
}
rt_kprintf("malloc the qspi succeed.\n");
qspi_device->enter_qspi_mode = RT_NULL;
qspi_device->exit_qspi_mode = RT_NULL;
qspi_device->config.qspi_dl_width = 1;
int ret = rt_spi_bus_attach_device(&qspi_device->parent, WS2812_DEVICE_NAME, QPSI_BUS_NANE, RT_NULL);
if(ret != RT_EOK)
{
LOG_E("Failed to rt_spi_bus_attach_device.");
return ret;
}
rt_kprintf("rt_spi_bus_attach_device succeed.\n");
return RT_EOK;
}
/**********************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_Qspi_Init
* 函 数 功 能:配置qspi进行初始化
* 传 入 参 数:无
* 函 数 返 回:无
* 作 者:LCKFB
* 备 注:LP
**********************************************************/
static int WS2812_Qspi_Init(void)
{
// struct rt_qspi_device *g_qspi;
struct rt_qspi_configuration qspi_cfg;
struct rt_device *dev;
char *name;
int ret = 0;
name = WS2812_DEVICE_NAME;
ws2812_device = (struct rt_qspi_device *)rt_device_find(name);
if (!ws2812_device)
{
LOG_E("Failed to get device in name %s\n", name);
return -RT_ERROR;
}
rt_kprintf("find Qspi device :%s\n",name);
dev = (struct rt_device *)ws2812_device;
if (dev->type != RT_Device_Class_SPIDevice)
{
ws2812_device = RT_NULL;
LOG_E("%s is not SPI device.\n", name);
return -RT_ERROR;
}
rt_memset(&qspi_cfg, 0, sizeof(qspi_cfg));
qspi_cfg.qspi_dl_width = 1; // QSPI 总线位宽,单线模式 1 位、双线模式 2 位,4 线模式 4 位
qspi_cfg.parent.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_3 | RT_SPI_MSB;
qspi_cfg.parent.data_width = 8;
qspi_cfg.parent.max_hz = 8 * 1000 * 1000; // 8M
ret = rt_qspi_configure(ws2812_device, &qspi_cfg);
if (ret < 0)
{
LOG_E("qspi configure failure.");
return -RT_ERROR;;
}
rt_kprintf("rt_qspi_configure successful\n");
return RT_EOK;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_WriteData
* 函 数 说 明:向WS2812写入len长度的字节
* 函 数 形 参:send_buff数据地址 len字节长度
* 函 数 返 回:RT_EOK成功 -RT_ERROR失败
* 作 者:LCKFB
* 备 注:1码的时序 = 高电平580ns~1us 再低电平220ns~420ns
* 0码的时序 = 高电平220ns~380ns 再低电平580ns~1us
******************************************************************/
static int WS2812_WriteData(uint8_t *send_buff, uint32_t len)
{
int i, j;
int ret = 0;
uint8_t buff[512] = {0}; // 发送缓存区
struct rt_qspi_message msg;
rt_memset(&msg, 0, sizeof(msg));
msg.instruction.content = 0; /* 指令内容 */
msg.instruction.qspi_lines = 0; /* 指令模式,单线模式 1 位、双线模式 2 位,4 线模式 4 位 */
msg.alternate_bytes.content = 0; /* 地址/交替字节 内容 */
msg.alternate_bytes.size = 0; /* 地址/交替字节 长度 */
msg.alternate_bytes.qspi_lines = 0; /* 地址/交替字节 模式,单线模式 1 位、双线模式 2 位,4 线模式 4 位 */
msg.dummy_cycles = 0; /* 空指令周期阶段 */
msg.qspi_data_lines = 1; /* QSPI 总线位宽 */
/* 这里加了一个字节的数据发送,是因为发送开头不准,先发测试的数,之后再发数据! */
msg.parent.length = len * 8 + 1; /* 发送 / 接收 数据字节数 */
msg.parent.next = RT_NULL; /* 指向继续发送的下一条消息的指针 */
msg.parent.cs_take = 1; /* 片选选中 */
msg.parent.cs_release = 1; /* 释放片选 */
msg.parent.send_buf = buff; /* 发送缓冲区指针 */
msg.parent.recv_buf = RT_NULL; /* 接收缓冲区指针 */
/* 测试数据 */
buff[0] = WS2812_BLACK;
// 转换send_buff中的每个bit并存入buff
for (i = 0, j = 1; i < len; i++)
{
for (int bit = 0; bit < 8; bit++)
{
if (send_buff[i] & (0x80 >> bit)) // 当前位为1
{
buff[j++] = WS2812_1_CODE; // 存储1码
}
else // 当前位为0
{
buff[j++] = WS2812_0_CODE; // 存储0码
}
}
}
rt_spi_take_bus((struct rt_spi_device *)ws2812_device);
ret = rt_qspi_transfer_message(ws2812_device, &msg);
if (ret != msg.parent.length)
{
LOG_E("rt_qspi_transfer_message failed!!");
return -RT_ERROR;
}
rt_spi_release_bus((struct rt_spi_device *)ws2812_device);
return RT_EOK;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_RESET
* 函 数 说 明:复位ws2812
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:RT_EOK成功 -RT_ERROR失败
* 作 者:LCKFB
* 备 注:低电平280us以上
******************************************************************/
int WS2812_RESET(void)
{
int ret = 0;
uint8_t buff[300] = {0x00}; // 发送缓存区
struct rt_qspi_message msg;
rt_memset(&msg, 0, sizeof(msg));
msg.instruction.content = 0; /* 指令内容 */
msg.instruction.qspi_lines = 0; /* 指令模式,单线模式 1 位、双线模式 2 位,4 线模式 4 位 */
msg.alternate_bytes.content = 0; /* 地址/交替字节 内容 */
msg.alternate_bytes.size = 0; /* 地址/交替字节 长度 */
msg.alternate_bytes.qspi_lines = 0; /* 地址/交替字节 模式,单线模式 1 位、双线模式 2 位,4 线模式 4 位 */
msg.dummy_cycles = 0; /* 空指令周期阶段 */
msg.qspi_data_lines = 1; /* QSPI 总线位宽 */
msg.parent.length = 300; /* 发送 / 接收 数据字节数 */
msg.parent.next = RT_NULL; /* 指向继续发送的下一条消息的指针 */
msg.parent.cs_take = 1; /* 片选选中 */
msg.parent.cs_release = 1; /* 释放片选 */
msg.parent.send_buf = buff; /* 发送缓冲区指针 */
msg.parent.recv_buf = RT_NULL; /* 接收缓冲区指针 */
rt_spi_take_bus((struct rt_spi_device *)ws2812_device);
ret = rt_qspi_transfer_message(ws2812_device, &msg);
if (ret != msg.parent.length)
{
LOG_E("rt_qspi_transfer_message failed!!");
return -RT_ERROR;
}
rt_spi_release_bus((struct rt_spi_device *)ws2812_device);
return RT_EOK;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_Set_Color
* 函 数 说 明:设置彩灯颜色
* 函 数 形 参:LED_NUM控制的第几个灯 Color颜色数据
* 函 数 返 回:RT_EOK成功 -RT_ERROR失败
* 作 者:LCKFB
* 备 注:
******************************************************************/
int WS2812_Set_Color(uint8_t LED_NUM, uint64_t Color)
{
if( LED_NUM >= ledsCount )
{
return -RT_ERROR; //to avoid overflow
}
LedsArray[LED_NUM * 3] = 0;
LedsArray[LED_NUM * 3 + 1] = 0;
LedsArray[LED_NUM * 3 + 2] = 0;
LedsArray[LED_NUM * 3] = (Color>>8) & 0xff;
LedsArray[LED_NUM * 3 + 1] = (Color>>16) & 0xff;
LedsArray[LED_NUM * 3 + 2] = (Color>>0) & 0xff;
// rt_kprintf("WS2812_Set_Color successful !\n");
return RT_EOK;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_Send_Array
* 函 数 说 明:发送彩灯数据
* 函 数 形 参:无
* 函 数 返 回:RT_EOK成功 -RT_ERROR失败
* 作 者:LCKFB
* 备 注:
******************************************************************/
int WS2812_Send_Array(void)
{
WS2812_RESET();
aicos_mdelay(5);
int ret = WS2812_WriteData(LedsArray, nbLedsBytes);
if(ret != RT_EOK)
{
LOG_E("%s--->WS2812_WriteByte failed !!",__FUNCTION__);
return -RT_ERROR;
}
return RT_EOK;
}
/**********************************************************
* 函 数 名 称:WS2812_Init
* 函 数 功 能:初始化模块
* 传 入 参 数:无
* 函 数 返 回:RT_EOK成功 -RT_ERROR失败
* 作 者:LCKFB
* 备 注:
**********************************************************/
int WS2812_Init(void)
{
/* 设备挂载 */
if(RT_EOK != WS2812_Qspi_Attach())
{
LOG_E("%s-->WS2812_Qspi_Attach failed !!!",__FUNCTION__);
return -RT_ERROR;
}
/* 设备初始化 */
if(RT_EOK != WS2812_Qspi_Init())
{
LOG_E("%s-->WS2812_Qspi_Init failed !!!",__FUNCTION__);
return -RT_ERROR;
}
rt_kprintf("WS2812_Init successful !!\n");
return RT_EOK;
}
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bsp_ws2812.h
/*
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*/
#ifndef __BSP_WS2812_H__
#define __BSP_WS2812_H__
#include "stdio.h"
#define WS2812_MAX 8 // 彩灯最大个数
#define WS2812_NUMBERS 8 // 彩灯个数
#define WS2812_RED 0xff0000 // 红色
#define WS2812_GREEN 0x00ff00 // 绿色
#define WS2812_BLUE 0x0000ff // 蓝色
#define WS2812_BLACK 0x000000 // 熄灭
#define WS2812_WHITE 0xffffff // 白色
int WS2812_Init(void);
int WS2812_RESET(void);
int WS2812_Set_Color(uint8_t LED_NUM, uint64_t Color); // 设置彩灯颜色
int WS2812_Send_Array(void); // 发送彩灯数据
#endif
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Kconfig
这个是一个menuconfig中的选项,如果在菜单中选中该选项,就会在rtconfig.h
中定义一个语句,用来if判断条件编译之类的。
config LCKFB_WS2812_COLOR_LIGHT
bool "Using ws2812 colorful lights"
select AIC_USING_QSPI3
default n
help
More information is available at: https://wiki.lckfb.com/
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SConscript
自动化构建文件,如果定义了 LCKFB_WS2812_COLOR_LIGHT
和 USING_LCKFB_TRANSPLANT_CODE
就自动编译当前目录下的文件!!
Import('RTT_ROOT')
Import('rtconfig')
import rtconfig
from building import *
cwd = GetCurrentDir()
CPPPATH = [cwd]
src = []
if GetDepend('LCKFB_WS2812_COLOR_LIGHT') and GetDepend('USING_LCKFB_TRANSPLANT_CODE'):
src = Glob(os.path.join(cwd, '*.c'))
group = DefineGroup('lckfb-ws2812-color-light', src, depend = [''], CPPPATH = CPPPATH)
Return('group')
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test_ws2812_color_light.c
这个文件定义了一个用于处理WS2812 RGB LED灯带模块的线程,初始化了WS2812模块,并设置了线程的优先级、栈大小和时间片。
线程的主要任务是控制WS2812 LED灯带的颜色显示。以下是代码中的关键点:
- THREAD_PRIORITY、THREAD_STACK_SIZE 和 THREAD_TIMESLICE 分别定义了线程的优先级、栈大小和时间片。
- ws2812_thread 是线程控制块的指针,初始为 RTNULL。
- ws2812_thread_entry 是线程的入口函数,它负责设置LED灯带的颜色,并通过WS2812_Send_Array函数发送颜色数据到LED灯带。
线程入口函数的逻辑
- 初始化一个颜色数组
buff
,包含红色、绿色、蓝色和白色。 - 循环设置LED灯带的颜色,并使用
WS2812_Send_Array
立即发送更新。 - 在一个while循环中,按照一定的顺序设置LED灯带的颜色,并通过
WS2812_Send_Array
发送更新。 - 清除其他LED的颜色,再次通过
WS2812_Send_Array
发送更新。 - 每次循环结束后,线程会延时200毫秒。
- 当循环次数达到100次时,打印提示信息,告诉用户如何退出LED灯带的颜色显示循环。
test_ws2812_module
函数用于初始化WS2812模块并创建线程。
test_exit_ws2812_module
函数用于退出WS2812 LED灯带模块的测试线程。如果退出成功,会打印退出成功的消息。
用户可以通过在命令行中输入 ws2812 module test
来启动WS2812 LED灯带模块的测试线程,输入 exit ws2812 module test
来退出LED灯带的颜色显示循环。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#include <sys/time.h>
#include <rtthread.h>
#include "rtdevice.h"
#include "aic_core.h"
#include "aic_hal_gpio.h"
#include "bsp_ws2812.h"
#define THREAD_PRIORITY 25 // 线程优先级
#define THREAD_STACK_SIZE 4096 // 线程大小
#define THREAD_TIMESLICE 25 // 时间片
static rt_thread_t ws2812_thread = RT_NULL; // 线程控制块
// 线程入口函数
static void ws2812_thread_entry(void *param)
{
int i;
int while_count = 1;
uint32_t buff[4] = {WS2812_RED, WS2812_GREEN, WS2812_BLUE, WS2812_WHITE};
for (i = 0; i < 4; i++)
{
WS2812_Set_Color(0, buff[i]);
WS2812_Set_Color(1, buff[i]);
WS2812_Set_Color(2, buff[i]);
WS2812_Set_Color(3, buff[i]);
WS2812_Set_Color(4, buff[i]);
WS2812_Set_Color(5, buff[i]);
WS2812_Set_Color(6, buff[i]);
WS2812_Set_Color(7, buff[i]);
WS2812_Send_Array(); // 立即发送更新
rt_thread_mdelay(1000);
}
rt_thread_mdelay(1000);
i = 0;
while (while_count++)
{
WS2812_Set_Color((i + 0) % 8, buff[0]);
WS2812_Set_Color((i + 1) % 8, buff[1]);
WS2812_Set_Color((i + 2) % 8, buff[2]);
WS2812_Set_Color((i + 3) % 8, buff[3]);
WS2812_Send_Array(); // 发送更新
// 清除其他LED
WS2812_Set_Color((i + 4) % 8, WS2812_BLACK);
WS2812_Set_Color((i + 5) % 8, WS2812_BLACK);
WS2812_Set_Color((i + 6) % 8, WS2812_BLACK);
WS2812_Set_Color((i + 7) % 8, WS2812_BLACK);
WS2812_Send_Array(); // 发送更新
i++;
rt_thread_mdelay(200);
// 循环提示
if (while_count >= 100)
{
while_count = 1;
i = 0;
rt_kprintf("\nType [test_exit_ws2812_module] command to exit \n");
rt_kprintf("Note: Pressing [TAB] as you type will autocomplete the command\n");
}
}
}
static void test_ws2812_module(int argc, char **argv)
{
int ret = WS2812_Init();
if(ret != RT_EOK)
{
LOG_E("Failed to [WS2812_Init] !!!");
return;
}
/* 创建线程,名称是 ws2812_thread,入口是 ws2812_thread_entry */
ws2812_thread = rt_thread_create("ws2812_thread",
ws2812_thread_entry, RT_NULL,
THREAD_STACK_SIZE,
THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
/* 如果获得线程控制块,启动这个线程 */
if (ws2812_thread != RT_NULL)
rt_thread_startup(ws2812_thread);
}
// 导出函数为命令
MSH_CMD_EXPORT(test_ws2812_module, ws2812 module test);
/* 退出函数 */
void test_exit_ws2812_module(void)
{
int ret = rt_thread_delete(ws2812_thread);
if(ret != RT_EOK)
{
LOG_E("failed to test_exit_ws2812_module !!");
return;
}
rt_kprintf("\n========ws2812 module exit successful !!========\n");
}
// 导出函数为命令
MSH_CMD_EXPORT(test_exit_ws2812_module, exit ws2812 module test);
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移植验证
我们使用串口调试,将 USB转TTL模块 连接到衡山派开发板上面!!
具体的教程查看:串口调试(点击跳转🚀)
串口波特率默认为
115200
我们在输入下面的命令运行该模块的线程:
输入的时候按下
TAB键
会进行命令补全!!
test_ws2812_module
模块上电效果:
【特别注意】
- 要在menuconfig中将qspi3的书中频率设定为8MHz!!
-> Board options
-> Using SPI3 (AIC_USING_QSPI3 [=y])
-> SPI3 Parameter
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- SPI第一个发送的数据WS2812读取不准确,先发发送一个垃圾数据确保不会让后面的数据出问题,垃圾数据发送完毕后就可以发送正常数据了!!