“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，驗證了驅動方案的硬件和軟件的可行性。
”關鍵詞： WS2812，ESP32，SPI
??智能集成LED光源 WS2812[1] 通過簡單的外部接口、特有的級聯方案便于利用MCU完成多個LED控制，極大簡化了LED控制接口。相比于傳統的 單片機LED IO口復用控制方案[2] ，使用WS2812則更加的簡介。
??根據 WS2812[3] 數據手冊，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。三路LED的參數：
【表2-1-1 RGB 參數】
| 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 |
??WS2812的級聯控制協議非常簡單。通過一根信號線就可以進行串行異步信號發送。
??下面顯示了四個WS2812通過數據性級聯的方式。在串行通訊中使用不同高低電平脈沖表示數據0,1編碼。
【221. 脈沖編碼參數】
| 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級聯發送過程對應的波形。可以看到通過發送三組24bit的編碼，可以控制三個級聯的WS2812燈的顏色。數據D1是直接由MCU數據端口控制，D2,D3,D4則是WS8212內部整形放大后再進行傳輸。
??使用RESET編碼，也就是超過50us的低電平形成WS2812輸出鎖定。
??每組24bit對應的的GRB編碼如下所示。發送顏色順序為GRB，字節的高位在前。
??由于控制WS2812的脈沖高低電平在0.85us，0.4us，時間間隔，為了產生這樣的脈沖，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] 產生控制脈沖信號。
??在ESP32中具有兩路硬件SPI端口，可以最快達到始終速率80MHz，這可以滿足對WS2812的控制脈沖的速率。
??如果使用SPI缺省配置管腳，輸出速率可以達到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 |
??利用 ESP32實驗轉接板[5] ，測試硬件SPI端口。
??使用SPI id=1，對應的SPI，MOSI，MISO的對口為，14,13,12，對應的實驗轉接板上的輸出管腳如下圖所示，從右往左分別是：
? ● ESP32轉接板SPI管腳定義：
???SCK：PIN9
???MISO：PIN8
???MOSI：PIN7
??初始化SPI端口，使得輸出速率為10MHz，輸出數據0x55,0xaa，使用示波器觀察MOSI，SPI波形。
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。
??設置輸出的波特率為2.5MHz，此時便可以輸出 0.4us 的低脈沖。
??設置輸出波特率為2.5MHz，可以產生所需要的0.4us的電平輸出。波形如下圖所示：
??使用晶體管將MOSI波形進行反向，這可以：
??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。
??為了提高響應速度，對電路進行如下的調整：
? ● 電路元器件參數：
???Q1：9018
???R1：10k
???R2：200
??根據WS2812控制信號協議，RESET是時長超過50us的低電平，因此，在2.5MHz的波特率下，連續輸出125bit的高電平，也就是16個byte的0xff，則可以產生：個1輸出，便可以產生的低電平。
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)
??根據WS2812協議，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數據，則需要SPI輸出。
??由于存在MOSI輸出反向，所以對應的RGB輸出的高低電平需要進行反相。
? ● RGB的0,1bit對應SPI：
???RGB-0：SPI-011
???RGB-1：SPI-001
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)
??輸出RGB分別為:0xff, 0x80, 0x3f，對應的數據波形為：
??將RGB對應的輸出脈沖展開后的波形，可以檢查輸出波形是否符合WS2812對應的控制信號協議。
??編程輸出RGB為（0xff，0x0,0x0），對應WS2812應該是輸出紅色，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的驅動不足。
??降低R1阻值，提高Q1響應時間，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的顏色與設置的參數相符了。
??編程依次輸出RGB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換。
??利用ESP32中的硬件SPI輸出脈沖波形，控制WS2812響應。
??通過電路調整，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，測試驗證了利用高速SPI控制WS2812的硬件電路和軟件。
WS2812: https://wenku.baidu.com/view/c8b79d88fad6195f312ba6d3.html
[2]單片機LED IO口復用控制方案: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116725947
[3]WS2812: https://d2j2m4p6r3pg95.cloudfront.net/module_files/led-cube/assets/datasheets/WS2812B.pdf
[4]硬件SPI: https://docs.micropython.org/en/latest/esp32/quickref.html#hardware-spi-bus
[5]ESP32實驗轉接板: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115563474
基于樹莓派PICO的嵌入式系統入門課程二維碼：
