STM32SPI驱动WS2812

前言

本文将介绍怎么使用STM32的SPI接口来驱动WS2812模块。如果有说明不完全或者有错误的地方，欢迎指正，一切请以官方手册为准。

WS2812简介

在学习单片机控制LED灯过程中，如果我要控制LED发出不同颜色的光，通常需要使用RGB LED灯。按正常逻辑就需要三个PWM通道来控制红绿蓝三种颜色的亮度，但是如果我要控制多个RGB LED灯，使用的PWM通道数量就会成倍增加，对于灯条等需要控制大量LED的场景来说，这种方式显然不太现实。WS2812就是一款集成了控制芯片的RGB LED灯，每个LED灯都可以通过单线串行通信来控制，这样就大大减少了需要的PWM通道数量，非常适合需要控制大量LED的场景。

WS2812的通信协议

WS2812使用单线串行通信协议，每个LED灯需要24位数据来控制颜色，其中8位控制红色亮度，8位控制绿色亮度，8位控制蓝色亮度。数据传输的时序非常严格，具体如下：
其中1和0的区别在于高电平持续的时间

这张图非常重要，理解了这张图才能看懂接下来的SPI模拟WS2812协议的内容

使用SPI模拟WS2812协议

由于WS2812的通信协议时序非常严格，直接使用GPIO模拟可能会比较麻烦，尤其是在需要控制大量LED的情况下。幸运的是，我们可以使用STM32的SPI的MOSI来模拟WS2812的通信协议。结论先行，我们目的是用SPI一个数据位(8bits)来模拟WS2812的一个码元(1bit)。

计算SPI的时钟频率

1. 根据WS2812的通信协议，0的高电平持续时间为220ns380ns，1的高电平持续时间为580ns1us，低电平持续时间均为580ns1us。且一个码元至少持续1250ns。综上，一个WS2812码元的周期范围为1250ns2000ns，频率为500kHz~800kHz。
2. 前面有提到，我们是用SPI一个数据位(8bits)来模拟WS2812的1个码元，故一个SPI数据位的周期为1250ns2000ns，频率为500kHz800kHz。
3. SPI的时钟频率是数据位频率的8倍，所以SPI的时钟频率范围为4MHz~6.4MHz，理论来说在这个范围内都可以正常工作，但建议不要太接近上限，以免出现时序问题。本文中我选择参考达妙MC-02开发板例程，将SPI时钟频率设置为6MHz。

SPI数据位编码

根据WS2812的通信协议，00的高电平持续时间为220ns380ns，1的高电平持续时间为580ns1us，低电平持续时间均为580ns~1us。
根据上述SPI的时钟频率选择6MHz，SPI1个bit周期为166.67ns，可以算出：

• 0码元：高电平持续2位，低电平持续6位
• 1码元：高电平持续4位，低电平持续4位
  但是由于WS2812只是借用了SPI的MOSI线来传输数据，并不是真正的SPI通信，所以在发送数据第一个bit时，数据可能会粗糙不稳定，为了保证第一个bit的稳定性，我们可以把所有要发送的数据右移1位，这样就相当于在数据前面添加了一个0码元，保证了第一个bit的稳定性。

最终的SPI数据位编码如下：

• 0码元：0b0110 0000 = 0x60
• 1码元：0b0111 1000 = 0x78
• RES：0b0000 0000 = 0x00

程序

我使用的是达妙MC-02开发板，时钟树及SPI配置如下：


注意：

• SPI的时钟频率必须在4MHz~6.4MHz之间
• 空闲时要为低电平

控制一个WS2812的的参考代码如下：

#define WS2812_LowLevel    0x60     // 0
#define WS2812_HighLevel   0x78     // 1

void WS2812_Ctrl(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
    uint8_t txbuf[24];
    uint8_t res = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        txbuf[7-i]  = (((g>>i)&0x01) ? WS2812_HighLevel : WS2812_LowLevel)>>1;
        txbuf[15-i] = (((r>>i)&0x01) ? WS2812_HighLevel : WS2812_LowLevel)>>1;
        txbuf[23-i] = (((b>>i)&0x01) ? WS2812_HighLevel : WS2812_LowLevel)>>1;
    }
    HAL_SPI_Transmit(&hspi6, &res, 0, 0xFFFF);
    while (HAL_SPI_Transmit(&hspi6, txbuf, 24, 0xFFFF)!= HAL_OK);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi6, &res, 1, 0xFFFF);
}

其中三个参数分别为RGB三种颜色的亮度，范围为0~255

控制多个WS2812

如果需要控制多个WS2812，只需要把每个LED灯的数据依次发送出去即可，WS2812会自动把数据传递给下一个LED灯，最后在一起发送RES码元来完成数据的刷新，上述代码加入循环即可解决，比较简单，不过多赘述。

结语

通过上述方法，我们就可以使用STM32的SPI接口来驱动WS2812模块了。需要注意的是，WS2812的通信协议时序非常严格，如果出现闪烁或者颜色不正确的情况，可能是时序问题导致的，可以尝试调整SPI的时钟频率或者数据位编码来解决。另外，如果需要控制多个LED灯，可以按照WS2812的通信协议，把每个LED灯的数据依次发送出去即可，WS2812会自动把数据传递给下一个LED灯，非常方便。