使用 STM32 来控制 NeoPixels

Lashley_Wang · 2023 年6 月 29 日 02:15

目前，诸如 Arduino 和 Feather 等高级开发平台已经提供了出色的支持，可以通过易于使用的库和普遍使用的示例代码与 NeoPixel LED、灯带、矩阵等相连接。然而，更高级的平台（例如 STM32 开发板）通常缺乏相同水平的支持。因此，希望将NeoPixels整合到项目中的开发人员需要全面了解NeoPixel通信协议以及如何克服它所带来的挑战。

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NeoPixels

Adafruit 推出的极受欢迎的可寻址全彩LED灯“NeoPixels”系列分为RGB和RGBW两个种类。尽管二者都将红、绿和蓝色LED与驱动器芯片相集成，但RGBW组件还集成了第四个纯白色的LED。可以使用类似的单线串行接口来控制这两种类型的NeoPixel，其时间值和数据结构仅存在微小的差异。

WS2812

RGB NeoPixels实际上是WS2812智能控制LED，包括数据信号输入引脚（DIN）和数据信号输出引脚（DOUT）。这允许多个LED级联并且只用一个数据线进行控制。链中的第一个LED负责处理从MCU接收到的前三个字节数据，然后将后续的数据简单地转发给DOUT引脚，该引脚可以连接到另一个LED的DIN引脚。LED将以此方式继续向下传递数据，直到它们接收到复位信号为止（即，DIN线在一段时间内持续保持低电平状态）。传输的字节按照图1所示的协议进行组织。第一个字节（G7-G0）表示绿色LED的8位PWM强度，其中0x00是完全关闭，0xFF是完全打开。类似地，第二个字节（R7-R0）用于控制红色LED的强度，第三个字节（B7-B0）用于控制蓝色LED的强度。

图 1 ： WS2812 LED的3字节数据协议的结构。

这些24位数据都是通过改变方波的脉冲宽度来进行编码的，如图2所示。请注意，无论发送代码0还是代码1，方波的周期仍保持在1.25μs。对于WS2812，使数据线保持低电平至少50μs即可生成复位信号。另请注意，图2中显示的计时值具有±0.15μs的公差。

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图 2 ： WS2812 LED的0和1位的计时图。

SK6812

一种截然不同的组件，NeoPixels的RGBW种类实际上是SK6812智能控制LED，采用与WS2812 LED相同的运作原理。然而，由于它们包含第四个LED，因此实施了图3所示的4字节数据协议。与图1相比，唯一的区别在于数据的串联字节（W7-W0），该字节指定了白色LED的8位PWM强度。

图 3 ： SK6812 LED的4字节数据协议的结构。

图4展示了SK6812控制信号的时间值，同样与WS2812略有差别（不过仍在±0.15μs的公差范围内）。请注意，这两种代码的方波周期均保持不变，都为1.2μs。此外，SK6812的复位信号长度为80μs ，而非50μs。

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图 4 ： SK6812 LED的0位和1位的计时图。

步骤

由于NeoPixel的控制信号对计时要求非常严格，因此除非使用汇编语言，否则无法通过简单的比特带宽方法产生此信号。虽然还有许多其他方法可以利用各种MCU外设、外部硬件或其组合来生成该信号，但其中最直接的方法是配置MCU定时器来生成PWM输出信号。这是因为，如上一部分中所述，NeoPixel控制信号只是一种固定频率的PWM信号，采用不同的占空比表示0位和1位。为了以与传输协议相同的速率高效地在这两个占空比之间进行切换，还必须配置DMA流来管理更新。尽管这种方法可能是内存效率最低的方式，但它易于理解、CPU高效并且易于实施（得益于STM32Cube环境）。

以下应用程式利用STM32CubeIDE（版本1.8.0）、NUCLEO-F401RE开发板和RGBW 5x8 NeoPixel Shield实现上述的方法。不过，这些步骤可以轻松地推广到任何STM32 MCU/板和NeoPixel产品上。假定我们已经创建了一个STM32CubeIDE项目。如需使用其他IDE，你可以改为使用独立的STM32CubeMX代码配置器工具，将项目导出到所需的开发平台上。

1.配置PWM

a. 先打开STM32CubeMX配置.ioc 文件（如果还未打开的话）。随后，STM32CubeIDE将切换到*器件配置工具（*Device Configuration Tool ）视图，供你配置MCU。

b. 将定时器通道备用功能分配给选定的GPIO引脚，以与NeoPixel进行连接。所选定时器通道应该能够生成PWM输出。图5显示了我的项目中的相关部分，我选择了引脚PB10，并将它分配给定时器2、通道3（TIM2_CH3）功能。

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图 5 ：将连接到DIN的GPIO引脚配置为定时器通道。

c. 从左侧的组件列表中选择上一步中确定的定时器外设，以打开模式和配置（*Mode and Configuration ）面板。在模式（*Mode ）面板中，选择“内部时钟”作为时钟源，并从适当的定时器通道的下拉列表中选择“PWM生成CHx”。在图6中，定时器2、通道3已设为“PWM生成CH3”模式，因为我在上一步中选择了TIM2_CH3备用功能。请注意，在完成此步骤后，关联的GPIO引脚应在引脚排列视图中从黄色变为绿色。

d. 在定时器的*配置（*Configuration ）面板中，验证“预分频器”和“脉冲”值是否都设置为0。计数器周期，即自动重载寄存器（ARR），需要进行设置以得到所需的PWM周期（如果使用RGB WS2812 LED，则为1.25μs；如果使用RGBW SK6812 LED，则为1.2μs）。这将取决于定时器外设输入的速率。只需将所需的PWM周期除以时钟周期，并减去1即可得到此值（减去1是因为定数器从0开始）。就我的器件而言，该公式得出的ARR值为99.8，我将其四舍五入为100（图6）。请参见下文，了解有关计算理想ARR值的详细说明。

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图 6 ：将所选定时器通道配置为PWM输出。

计算ARR值

假设定时器“预分频器”值设为0，可以很容易的计算出ARR值

ARR = \frac{f_{timer}}{f_{PWM}} - 1 = \frac{T_{PWM}}{T_{timer}} - 1.

具体来说，ARR值等于PWM信号周期除以定时器外设的时钟信号周期。我们知道，根据使用的NeoPixel类型不同，TPWM可以是1.25μs或1.2μs（例如本例中，TPWM=1.2μs）。要确定Ttimer，你需要查阅器件的规格书，确定定时器外设连接到哪个总线。规格书可以在ST的网站上找到或STM32CubeIDE会随附提供：选择帮助>目标器件文档和资源（ Help > Target Device Docs and Resources ）。然后，在MCU 选项卡下选择规格书，如图7所示。

图 7 ：查找器件规格书

在我使用的MCU（STM32F401RE）规格书中，器件框图中显示我的定时器（TIM2）已连接到APB1（见图8）。

图 8 ： STM32F401xD/xE的部分框图（源自DS10086）

图9介绍了：通过切换到STM32CubeIDE中的*时钟配置（*Clock Configuration ）选项卡，我们可以发现TIM2的时钟频率为84MHz (T_{timer} = \frac{1}{f_{timer}} = \frac{1}{84\text{ MHz}})

图 9 ：确定定时器时钟频率

因此，

ARR = \frac{1.2 \times 10^{-6}}{\frac{1}{84 \times 10^6}} - 1 = 99.8

为了使PWM周期尽可能接近NeoPixel控制信号的周期，我们四舍五入至最接近的整数并得到 ARR = 100. 。

2.配置DMA

a. 从组件列表中选择DMA外设。

b. 在配置（Configuration） 面板的DMA1 选项卡下，点击添加（ Add ）按钮。在下拉菜单中，选择你的定时器/通道组合。在我的项目中，我选择了“TIM2_CH3/UP”。

c. 针对该新的DMA请求，将方向改为“内存到外设”。

d. 同时，将优先级改为“非常高”。

e. 验证默认的DMA请求设置是否与图10中显示的相匹配。

f. 保存.ioc 文件，以生成项目代码。

图 10 ：配置DMA流，以便有效更新PWM信号的占空比

3.编写代码

在main.c 文件中，按从上到下的顺序编写，本部分展示了一个简单的示例应用，用于测试NeoPixel LED的全彩能力。此处提供了两个版本的main() 函数，一个用于RGB WS2818 LED，另一个用于RGBW SK6812 LED。

a. 在main.c 文件的私有typedef部分，你可以创建一个新的数据类型，以便轻松访问单个LED颜色值以及整个NeoPixel数据结构（如图1和图3所示）。列表1提供了RGB和RGBW NeoPixel组件的typedef。此代码应粘贴在/* USER CODE BEGIN PTD */ 和/* USER CODE END PTD */ 注释之间。

列表 1 ：为RGB WS2812和RGBW SK6812 LED自定义数据类型

typedef union
{
  struct
  {
    uint8_t b;
    uint8_t r;
    uint8_t g;
  } color;
  uint32_t data;
} PixelRGB_t;

typedef union
{
  struct
  {
    uint8_t w;
    uint8_t b;
    uint8_t r;
    uint8_t g;
  } color;
  uint32_t data;
} PixelRGBW_t;

b. 更改“脉冲”寄存器（也称为CCRx）的值，这样可以改变PWM波形的占空比。因此，我们必须计算适当的CCRx值，以实现使用的NeoPixels所需的代码0和代码1方波（无论是在图2还是图4中所示的那些）。对于RGB WS2812 LED，这些值计算如下：

ZERO = (ARR + 1)(0.32)

ONE = (ARR + 1)(0.64)

对于RGBW SK6812 LED，其计算过程稍有不同。

ZERO = (ARR + 1)(0.25)

ONE = (ARR + 1)(0.5)

当然，这些计算出的值应该四舍五入到最接近的整数。在 main.c 文件的私有定义部分，为每个值创建一个#define指令（请参见以下图11中的示例）。

c. 除了CCRx值之外，还应在私有定义部分中定义控制的NeoPixel LED数量和DMA缓冲区大小。如图11所示，只需将LED的数量乘以相应的NeoPixel数据结构中的位数即可（回想图1和图3）。还必须分配一个额外的缓冲区元素，因为最后一个CCRx值应为零（复位信号）。

图 11 ： WS2812和SK6812 LED的私有定义

d. 将列表2中提供的DMA完成回调函数添加到/* USER CODE BEGIN 0 /和/ USER CODE END 0*/之间的私有用户代码部分。务必将 TIM_CHANNEL_x 更改为步骤1c中配置的通道。

列表 2 ： HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback() 函数的实施

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(htim, TIM_CHANNEL_x);
}

e. 最后，必须将应用代码添加到main() 函数中。列表3提供了一个使用WS2812 LED的示例main() 函数，而列表4提供了使用SK6812 LED的类似示例main() 函数。请注意，HAL_TIM_PWM_Start_DMA() 函数的TIM_CHANNEL_x 参数必须再次进行修改，以匹配步骤1c中配置的通道。

列表 3 ： RGB WS2812 LED的示例main() 函数

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  PixelRGB_t pixel[NUM_PIXELS] = {0};
  uint32_t dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};
  uint32_t *pBuff;
  int i, j, k;
  uint16_t stepSize;

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  k = 0;
  stepSize = 4;
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */

    for (i = (NUM_PIXELS - 1); i > 0; i--)
    {
      pixel[i].data = pixel[i-1].data;
    }

    if (k < 255)
    {
      pixel[0].color.g = 254 - k; //[254, 0]
      pixel[0].color.r =  k + 1;  //[1, 255]
      pixel[0].color.b = 0;
    }
    else if (k < 510)
    {
      pixel[0].color.g = 0;
      pixel[0].color.r = 509 - k; //[254, 0]
      pixel[0].color.b = k - 254; //[1, 255]
      j++;
    }
    else if (k < 765)
    {
      pixel[0].color.g = k - 509; //[1, 255];
      pixel[0].color.r = 0;
      pixel[0].color.b = 764 - k; //[254, 0]
    }
    k = (k + stepSize) % 765;

    // not so bright
    pixel[0].color.g >>= 2;
    pixel[0].color.r >>= 2;
    pixel[0].color.b >>= 2;

    pBuff = dmaBuffer;
    for (i = 0; i < NUM_PIXELS; i++)
    {
       for (j = 23; j >= 0; j--)
       {
         if ((pixel[i].data >> j) & 0x01)
         {
           *pBuff = NEOPIXEL_ONE;
         }
         else
         {
           *pBuff = NEOPIXEL_ZERO;
         }
         pBuff++;
     }
    }
    dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE - 1] = 0; // last element must be 0!

    HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_x, dmaBuffer, DMA_BUFF_SIZE);

    HAL_Delay(10);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

列表 4 ： RGBW SK6812 LED的示例main() 函数

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  PixelRGBW_t pixel[NUM_PIXELS] = {0};
  uint32_t dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};
  uint32_t *pBuff;
  int i, j, k;
  uint16_t stepSize;

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  k = 0;
  stepSize = 4;
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */

    for (i = (NUM_PIXELS - 1); i > 0; i--)
    {
      pixel[i].data = pixel[i-1].data;
    }

    if (k < 255)
    {
      pixel[0].color.g = 254 - k; //[254, 0]
      pixel[0].color.r =  k + 1;  //[1, 255]
      pixel[0].color.b = 0;
      pixel[0].color.w = 0;
    }
    else if (k < 510)
    {
      pixel[0].color.g = 0;
      pixel[0].color.r = 509 - k; //[254, 0]
      pixel[0].color.b = k - 254; //[1, 255]
      pixel[0].color.w = 0;
      j++;
    }
    else if (k < 765)
    {
      pixel[0].color.g = 0;
      pixel[0].color.r = 0;
      pixel[0].color.b = 764 - k; //[254, 0]
      pixel[0].color.w = k - 509; //[1, 255]
    }
    else if (k < 1020)
    {
      pixel[0].color.g = k - 764; //[1, 255]
      pixel[0].color.r = 0;
      pixel[0].color.b = 0;
      pixel[0].color.w = 1019 - k; //[254, 0]
    }
    k = (k + stepSize) % 1020;

    // 50% brightness
    pixel[0].color.g >>= 2;
    pixel[0].color.r >>= 2;
    pixel[0].color.b >>= 2;
    pixel[0].color.w >>= 2;

    pBuff = dmaBuffer;
    for (i = 0; i < NUM_PIXELS; i++)
    {
       for (j = 31; j >= 0; j--)
       {
         if ((pixel[i].data >> j) & 0x01)
         {
           *pBuff = NEOPIXEL_ONE;
         }
         else
         {
           *pBuff = NEOPIXEL_ZERO;
         }
         pBuff++;
     }
    }
    dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE - 1] = 0; // last element must be 0!

    HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_x, dmaBuffer, DMA_BUFF_SIZE);

    HAL_Delay(10);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

该项目现在应该能够成功构建，并支持你在器件上运行代码了。

结论

使用逻辑分析仪捕获了上面提供的RGB和RGBW配置生成的控制信号。分别如图12和图13中所示。请注意，它们与图2和图4中指定的预期输出相匹配。

图 12 ：生成的WS2812控制信号（正在发送0b0011……）

图 13 ：生成的SK6812控制信号（正在发送0b0010……）

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