ESP8266开发学习笔记_ws2812三原色灯

ESP8266 开发学习笔记_By_GYC 【spi方式驱动 ws2812 三原色灯（稳定优化）】

本章介绍ESP8266 IDF 框架下 如何使用 骚操作 的使用SPI总线，发送更高精度的脉冲信号，ws2812作为控制芯片三色灯的使用方法，实现三原色显示灯带。在研究过程中，发现ESP8266的引脚响应速度有些慢，输出2.5us才能够翻转一次，而ws2812的控制电平分辨率要求在百纳秒级，所以需要其他方法来输出控制信号才能保证灯光稳定。本次选用SPI信号输出口，使灯光达到了稳定。

一、驱动ws2812遇到的问题

在淘宝上偶然看见有只需要一个引脚就能高速的控制三原色全彩LED灯，这让我很感兴趣，就买下来回来尝试，结果到手当天就遇到了很严重的问题，根据手册的说明写了一下简单的驱动程序，灯亮是能亮但是只有一个颜色，没有办法像网上说的那样能够自由的调节颜色，搞得我很是崩溃，还以为自己的编程水平出了问题，明明代码逻辑已经没有什么问题了，却还是不能正常显示，我就喊朋友来帮忙驱动一下，他用stm32的开发板，十几分钟就从网上扣下源码给我驱动了，代码逻辑和我的相差无几。

那么确定不是代码的问题了，就要找找其他的问题，比如我正在研究的单片机ESP8266。放到示波器上显示GPIO引脚的输出电平可以发现，引脚的实际输出速度并不像程序设计的那样，实际操作时ESP8266的管脚每2.5us（0.4MHz）才能够进行一次有效的翻转，而ws2812的控制电平要求精度在百ns级别，普通的GPIO管脚并不能达到这样的速度，而stm32的引脚翻转速度远大于ESP8266的，其I/O口驱动电路的响应速度有2M、10M、50M可选，轻松就能达到百纳秒的精度。所以stm32能够轻松的驱动ws2812而ESP8266只能通过骚操作来实现。

二、可能的方案

1、特殊GPIO

一般如stm32主频比较高的单片机，可以直接通过驱动GPIO引脚，控制引脚的翻转，实现对ws2812的控制。虽然ESP8266的GPIO翻转速度无法达到期望的速度，但是根据网上其他人的分享，发现ESP8266的GPIO0的翻转速度和响应速度都比片上其他的GPIO快，可以作为ws2812的驱动引脚。经过测试，发现配合寄存器操作的GPIO0确实能够驱动ws2812、并且能够显示色彩进行调节。不过这种方法稳定性较低，不知道是我使用的芯片问题还是普遍存在，用GPIO0驱动的ws2812灯圈（8个）不稳定，偶尔就会一个灯珠颜色错误。这让我很是难受。

2、使用pwm驱动

PWM，周期设置为3MHz，发送0就把占空比设置为33%，发送1就把占空比设置为66%。也是一种很有创意的驱动方式。可惜的是ESP8266的PWM功能是通过定时器用GPIO翻转模拟的，它的PWM 周期范围是：1000us (1KHz) ~ 10000us (100Hz)，达不到要求。

3、使用SPI方案（本次使用）

可以注意到，将SPI的时钟调整为8MHz，发送一字节是1us，一个比特是0.125us，给ws2812发送逻辑0即可以通过SPI总线发送11000000b来实现（0.25us高电平，0.75us低电平），发送逻辑1即可以通过SPI总线发送11111100b来实现（0.75us高电平，0.25低电平）。通过这种方式驱动的灯光稳定可靠。能够保证灯光不会出现闪烁或者某个灯珠颜色跳变的情况。本次要介绍的ws2812驱动就是使用这种控制方式来实现的。

TODO: 低电平时间0.25us是硬件规定的低电平最小时间，如果能增大一点会更稳定，可以把控制引脚高低的数据改成数据流，比如 

TL：1110000000b （0.375us[0.4-0.025] 高电平，0.875us[0.85+0.025] 低电平） 9位 共1.125us

TH：1111110000b （0.75us [0.8-0.05] 高电平，0.5us [0.45+0.05] 低电平）9位 共1.125us

高低电平的数据组合组成一长串的 spi 数据，可以使控制更加稳定。

三、具体实现

首先根据ESP8266 的资源信息确认需要用到的引脚。

 根据上图所示，ESP8266在nodemcu上的SPI引脚是D5-D8、我们可以通过初始化控制禁用CS和MISO使能，只使用MOSI作为WS2812的输出引脚。设置SPI的时钟频率（SPI clock frequency）为8MHz，使一个字节周期为1.25us。

spi引脚初始化函数如下。

void ws2812_spi_mode_init(void) //must use the ESP8266 GPIO13 as the hspi pin to drive WS2812B RGB LED!!!
{
    uint8_t x = 0;

    ESP_LOGI("WS2812", "ws2812 init gpio");

    ESP_LOGI("WS2812", "init hspi");
    spi_config_t spi_config;
    // Load default interface parameters
    // CS_EN:1, MISO_EN:1, MOSI_EN:1, BYTE_TX_ORDER:1, BYTE_TX_ORDER:1, BIT_RX_ORDER:0, BIT_TX_ORDER:0, CPHA:0, CPOL:0
    spi_config.interface.val = SPI_DEFAULT_INTERFACE;
    // Load default interrupt enable
    // TRANS_DONE: true, WRITE_STATUS: false, READ_STATUS: false, WRITE_BUFFER: false, READ_BUFFER: false
    spi_config.intr_enable.val = SPI_MASTER_DEFAULT_INTR_ENABLE;
    // Cancel hardware cs
    spi_config.interface.cs_en = 0;
    // MISO pin is used for DC
    spi_config.interface.miso_en = 0;
    // CPOL: 1, CPHA: 1
    spi_config.interface.cpol = 1;
    spi_config.interface.cpha = 1;
    // Set SPI to master mode
    // 8266 Only support half-duplex
    spi_config.mode = SPI_MASTER_MODE;
    // Set the SPI clock frequency division factor
    spi_config.clk_div = SPI_8MHz_DIV;
    // Register SPI event callback function
    spi_config.event_cb = spi_event_callback;
    spi_init(HSPI_HOST, &spi_config);

    ESP_LOGI("WS2812", "init over");

}

需要注意的是，这里虽然没有用到，但是你需要设置spi的事件回调函数，即使他是空的

static void IRAM_ATTR spi_event_callback(int event, void *arg)
{
    switch (event) {
        case SPI_INIT_EVENT: {

        }
        break;

        case SPI_TRANS_START_EVENT: {
        }
        break;

        case SPI_TRANS_DONE_EVENT: {

        }
        break;

        case SPI_DEINIT_EVENT: {
        }
        break;
    }
}

准备工作做好之后，我们就要编写数据发送函数了。网上其他的例程里面常常把数据发送函数分为位发送、字节发送、像素点发送三层，层层调用，这种逻辑非常的便于阅读。但是在引脚响应速度并不那么快的单片机上，这种结构并不能保证时序的稳定性，因此，此处我直接略去了前两个过程，直接提供了一个像素数据发送的函数。避免函数切换、SPI重新启动引起的时序不稳定问题。

这个函数在结构上还有待优化，待我闲下来的时候再重构一下，先提供一个能够使用的版本，也希望有高手能够分享这个程序的简化版本。

void  WS2812BSend_24bit(uint8_t R, uint8_t G, uint8_t B)
{
	uint32_t GRB=G<<16|R<<8|B;
  uint8_t data_buf[24];
  uint8_t *p_data=data_buf;

    //能用　等待优化!
    uint8_t mask = 0x80;
    uint8_t byte = G;

    while (mask) 
    {
        if( byte & mask ) {*p_data = 0xFC;/*11111100b;*/} else {*p_data = 0XC0;/*11000000b;*/}
        mask >>= 1;
        p_data++;
    }

     mask = 0x80;
     byte = R;

    while (mask) 
    {
        if( byte & mask ) {*p_data = 0xFC;/*11111100b;*/} else {*p_data = 0XC0;/*11000000b;*/}
        mask >>= 1;
        p_data++;
    }

     mask = 0x80;
     byte = B;

    while (mask) 
    {
        if( byte & mask ) {*p_data = 0xFC;/*11111100b;*/} else {*p_data = 0XC0;/*11000000b;*/}
        mask >>= 1;
        p_data++;
    }


    uint8_t* p_8_data;
    for(int i=0;i<6;i++)
    {
      p_8_data=(data_buf+(i*4));
      uint8_t temp;
      for(int j=0;j<2;j++)
      {
        temp=p_8_data[j];
        p_8_data[j]=p_8_data[3-j];
        p_8_data[3-j] = temp;
      }
      
    }


    uint32_t *spi_buf=(uint32_t*)data_buf;

    spi_trans_t trans = {0};
    trans.mosi = spi_buf;
    trans.bits.mosi = 24*8;
    //ETS_INTR_LOCK();  
    spi_trans(HSPI_HOST, trans);     
    //ETS_INTR_UNLOCK();

}

比较麻烦的是，我这里每次传输了192（24*8）bit，由于这是32位的单片机，他是以32bit为单位进行传输的，而且每次都是从低位开始传输。由于ESP8266是小端字节序（与我们的阅读习惯不一致），所以在设置传输的时候需要将数据反一下，保证数据输出的顺序是我们想要的顺序。

以unsigned int value = 0x12345678为例，分别看看在两种字节序下其存储情况

|内存地址 |小端模式存放内容 |大端模式存放内容|
|：——-： |：——-： |：——-：|
|0x4000 |0x78| |0x12|
|0x4001 |0x56| |0x34|
|0x4002 |0x34| |0x56|
|0x4003 |0x12| |0x78|

有了如上函数，我们就可以轻松的点亮ws2812三原色灯珠了。

ws2812具体的协议可以参考技术规格书（https://wenku.baidu.com/view/25f176db482fb4daa48d4ba1.html?rec_flag=default&sxts=1561280682919），

使用到的主要内容如下：

 
 

需要注意的是 要保证电源稳定，因为电源问题我遇到了 意外的灯光闪烁、多个灯一起点亮时产生颜色偏差 的问题，更换了供电线和使用5V给模块供电之后，颜色显示完全稳定和正常了。保证硬件良好是软件调试好软件的关键。

四、测试程序

#define PIXEL_MAX 4 //the total numbers of LEDs you are used in your project

uint8_t rBuffer[PIXEL_MAX]={0,0,255,255};
uint8_t gBuffer[PIXEL_MAX]={0,255,0,255};
uint8_t bBuffer[PIXEL_MAX]={255,0,0,255};

void WS2812_Test(void)
{
  //初始化 HSPI 作为数据输出引脚
  ws2812_spi_mode_init();
  //刷新显示4个LED灯
  for(int i=0;i<PIXEL_MAX;i++)
  {							  
    WS2812BSend_24bit(rBuffer[i],gBuffer[i],bBuffer[i]);
  }
}
调用我github上写好的库函数进行测试：

void app_main(void)
{
    printf("SDK version:%s\n", esp_get_idf_version());
    printf("WS2812 Demo\n");

    WS2812_Init();        //初始化
    rainbowCycle(10);     //彩虹环

}

效果 

五、还没结束
目前这个项目还未完全完成，还存在一些优化空间，希望大家能够多多和我交流，写出更好的程序。O(∩_∩)O哈哈~

在此特别感谢“半颗心脏”大佬对我项目的关注，互相学习啦。

我的源文件和头文件已经上传至我的github上（https://github.com/gengyuchao），欢迎大家关注我的博客和github呀。