Q A &

問：玩轉(zhuǎn)STM32 - 使用 STM32 來控制 NeoPixels

目前，諸如Arduino和Feather等高級開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)提供了出色的支持，可以通過易于使用的庫和普遍使用的示例代碼與NeoPixelLE?D、燈帶、矩陣等相連接。然而，更高級的平臺(tái)（例如STM32 開發(fā)板）通常缺乏相同水平的支持。因此，希望將NeoPixels整合到項(xiàng)目中的 開發(fā)人員需要全面了解NeoPixel通信協(xié)議以及如何克服它所帶來的挑戰(zhàn)。

NeoPixels

Adafruit推出的極受歡迎的可尋址全彩LED燈“NeoPixels”系列分為RGB和RGBW兩個(gè)種類。盡管二者都將紅、綠和藍(lán)色LED與驅(qū)動(dòng)器芯片相集成，但RGBW組件還集成了第四個(gè)純白色的LED?？梢允褂妙愃频膯尉€串行接口來控制這兩種類型的NeoPixel，其時(shí)間值和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅存在微小的差異。

WS2812

RGB NeoPixels實(shí)際上是WS2812智能控制LED，包括數(shù)據(jù)信號(hào)輸入引腳（DIN）和數(shù)據(jù)信號(hào)輸出引腳（DOUT）。這允許多個(gè)LED級聯(lián)并且只用一個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行控制。鏈中的第一個(gè)LED負(fù)責(zé)處理從MCU接收到的前三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，然后將后續(xù)的數(shù)據(jù)簡單地轉(zhuǎn)發(fā)給DOUT引腳，該引腳可以連接到另一個(gè)LED的DIN引腳。LED將以此方式繼續(xù)向下傳遞數(shù)據(jù)，直到它們接收到復(fù)位信號(hào)為止（即，DIN線在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)保持低電平狀態(tài)）。傳輸?shù)淖止?jié)按照圖1所示的協(xié)議進(jìn)行組織。第一個(gè)字節(jié)（G7-G0）表示綠色LED的8位PWM強(qiáng)度，其中0x00是完全關(guān)閉，0xFF是完全打開。類似地，第二個(gè)字節(jié)（R7-R0）用于控制紅色LED的強(qiáng)度，第三個(gè)字節(jié)（B7-B0）用于控制藍(lán)色LED的強(qiáng)度。

圖1：WS2812 LED的3字節(jié)數(shù)據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)這些24位數(shù)據(jù)都是通過改變方波的脈沖寬度來進(jìn)行編碼的，如圖2所示。請注意，無論發(fā)送代碼0還是代碼1，方波的周期仍保持在1.25μs。對于WS2812，使數(shù)據(jù)線保持低電平至少50μs即可生成復(fù)位信號(hào)。另請注意，圖2中顯示的計(jì)時(shí)值具有±0.15μs的公差。

圖2：WS2812 LED的0和1位的計(jì)時(shí)圖

一種截然不同的組件，NeoPixels的RGBW種類實(shí)際上是SK6812智能控制LED，采用與WS2812 LED相同的運(yùn)作原理。然而，由于它們包含第四個(gè)LED，因此實(shí)施了圖3所示的4字節(jié)數(shù)據(jù)協(xié)議。與圖1相比，唯一的區(qū)別在于數(shù)據(jù)的串聯(lián)字節(jié)（W7-W0），該字節(jié)指定了白色LED的8位PWM強(qiáng)度。

圖3：SK6812 LED的4字節(jié)數(shù)據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)。圖4展示了SK6812控制信號(hào)的時(shí)間值，同樣與WS2812略有差別（不過仍在±0.15μs的公差范圍內(nèi)）。請注意，這兩種代碼的方波周期均保持不變，都為1.2μs。此外，SK6812的復(fù)位信號(hào)長度為80μs，而非50μs。

圖4：SK6812 LED的0位和1位的計(jì)時(shí)圖。

步驟

由于NeoPixel的控制信號(hào)對計(jì)時(shí)要求非常嚴(yán)格，因此除非使用匯編語言，否則無法通過簡單的比特帶寬方法產(chǎn)生此信號(hào)。雖然還有許多其他方法可以利用各種MCU外設(shè)、外部硬件或其組合來生成該信號(hào)，但其中最直接的方法是配置MCU定時(shí)器來生成PWM輸出信號(hào)。這是因?yàn)?，如上一部分中所述，NeoPixel控制信號(hào)只是一種固定頻率的PWM信號(hào)，采用不同的占空比表示0位和1位。為了以與傳輸協(xié)議相同的速率高效地在這兩個(gè)占空比之間進(jìn)行切換，還必須配置DMA流來管理更新。盡管這種方法可能是內(nèi)存效率最低的方式，但它易于理解、CPU高效并且易于實(shí)施（得益于STM32Cube環(huán)境）。

以下應(yīng)用程式利用STM32CubeIDE（版本1.8.0）、NUCLEO-F401RE開發(fā)板和RGBW5x8 NeoPixel Shield實(shí)現(xiàn)上述的方法。不過，這些步驟可以輕松地推廣到任何STM32MCU/板和NeoPixel產(chǎn)品上。假定我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)STM32CubeIDE項(xiàng)目。如需使用其他IDE，你可以改為使用獨(dú)立的STM32CubeMX代碼配置器工具，將項(xiàng)目導(dǎo)出到所需的開發(fā)平臺(tái)上。

1.配置PWMa. 先打開STM32CubeMX配置.ioc文件（如果還未打開的話）。隨后，STM32CubeIDE將切換到*器件配置工具（*Device Configuration Tool）視圖，供你配置MCU。

b. 將定時(shí)器通道備用功能分配給選定的GPIO引腳，以與NeoPixel進(jìn)行連接。所選定時(shí)器通道應(yīng)該能夠生成PWM輸出。圖5顯示了我的項(xiàng)目中的相關(guān)部分，我選擇了引腳PB10，并將它分配給定時(shí)器2、通道3（TIM2_CH3）功能。

圖5：將連接到DIN的GPIO引腳配置為定時(shí)器通道c. 從左側(cè)的組件列表中選擇上一步中確定的定時(shí)器外設(shè)，以打開模式和配置（*Mode andConfiguration）面板。在模式（*Mode）面板中，選擇“內(nèi)部時(shí)鐘”作為時(shí)鐘源，并從適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)器通道的下拉列表中選擇“PWM生成CHx”。在圖6中，定時(shí)器2、通道3已設(shè)為“PWM生成CH3”模式，因?yàn)槲以谏弦徊街羞x擇了TIM2_CH3備用功能。請注意，在完成此步驟后，關(guān)聯(lián)的GPIO引腳應(yīng)在引腳排列視圖中從黃色變?yōu)榫G色。

d. 在定時(shí)器的*配置（*Configuration）面板中，驗(yàn)證“預(yù)分頻器”和“脈沖”值是否都設(shè)置為0。計(jì)數(shù)器周期，即自動(dòng)重載寄存器（ARR），需要進(jìn)行設(shè)置以得到所需的PWM周期（如果使用RGB WS2812 LED，則為1.25μs；如果使用RGBW SK6812 LED，則為1.2μs）。這將取決于定時(shí)器外設(shè)輸入的速率。只需將所需的PWM周期除以時(shí)鐘周期，并減去1即可得到此值（減去1是因?yàn)槎〝?shù)器從0開始）。就我的器件而言，該公式得出的ARR值為99.8，我將其四舍五入為100（圖6）。請參見下文，了解有關(guān)計(jì)算理想ARR值的詳細(xì)說明。

圖6：將所選定時(shí)器通道配置為PWM輸出計(jì)算ARR值

假設(shè)定時(shí)器“預(yù)分頻器”值設(shè)為0，可以很容易的計(jì)算出ARR值

具體來說，ARR值等于PWM信號(hào)周期除以定時(shí)器外設(shè)的時(shí)鐘信號(hào)周期。我們知道，根據(jù)使用的NeoPixel類型不同，TPWM可以是1.25μs或1.2μs（例如本例中，TPWM=1.2μs）。要確定Ttimer，你需要查閱器件的規(guī)格書，確定定時(shí)器外設(shè)連接到哪個(gè)總線。規(guī)格書可以在ST的網(wǎng)站上找到或STM32CubeIDE會(huì)隨附提供：選擇幫助>目標(biāo)器件文檔和資源（Help>TargetDevice Docs and Resources）。然后，在MCU選項(xiàng)卡下選擇規(guī)格書，如圖7所示。

圖7：查找器件規(guī)格書

在我使用的MCU（STM32F401RE）規(guī)格書中，器件框圖中顯示我的定時(shí)器（TIM2）已連接到APB1（見圖8）。

圖8：STM32F401xD/xE的部分框圖（源自DS10086）

圖9介紹了：通過切換到STM32CubeIDE中的*時(shí)鐘配置（*Clock Configuration）選項(xiàng)卡，我們可以發(fā)現(xiàn)TIM2的時(shí)鐘頻率為84MHz

圖9：確定定時(shí)器時(shí)鐘頻率

因此，為了使PWM周期盡可能接近NeoPixel控制信號(hào)的周期，我們四舍五入至最接近的整數(shù)并得到ARR=100。2.配置DMA

a. 從組件列表中選擇DMA外設(shè)。

b. 在配置（Configuration）面板的DMA1選項(xiàng)卡下，點(diǎn)擊添加（Add）按鈕。在下拉菜單中，選擇你的定時(shí)器/通道組合。在我的項(xiàng)目中，我選擇了“TIM2_CH3/UP”。

c. 針對該新的DMA請求，將方向改為“內(nèi)存到外設(shè)”。

d. 同時(shí)，將優(yōu)先級改為“非常高”。

e. 驗(yàn)證默認(rèn)的DMA請求設(shè)置是否與圖10中顯示的相匹配。

f. 保存.ioc文件，以生成項(xiàng)目代碼。

圖10：配置DMA流，以便有效更新PWM信號(hào)的占空比

3.編寫代碼

在main.c文件中，按從上到下的順序編寫，本部分展示了一個(gè)簡單的示例應(yīng)用，用于測試NeoPixel LED的全彩能力。此處提供了兩個(gè)版本的main()函數(shù)，一個(gè)用于RGB WS2818 LED，另一個(gè)用于RGBW SK6812 LED。

a. 在main.c文件的私有typedef部分，你可以創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型，以便輕松訪問單個(gè)LED顏色值以及整個(gè)NeoPixel數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如圖1和圖3所示）。列表1提供了RGB和RGBW NeoPixel組件的typedef。此代碼應(yīng)粘貼在/* USER CODE BEGIN PTD */和/* USER CODE END PTD */注釋之間。

列表1：為RGB WS2812和RGBW SK6812 LED自定義數(shù)據(jù)類型

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“脈沖”寄存器（也稱為CCRx）的值，這樣可以改變PWM波形的占空比。因此，我們必須計(jì)算適當(dāng)?shù)腃CRx值，以實(shí)現(xiàn)使用的NeoPixels所需的代碼0和代碼1方波（無論是在圖2還是圖4中所示的那些）。對于RGBWS2812 LED，這些值計(jì)算如下：

ZERO=(ARR+1)(0.32)

ONE=(ARR+1)(0.64)

對于RGBW SK6812 LED，其計(jì)算過程稍有不同。

ZERO=(ARR+1)(0.25)

ONE=(ARR+1)(0.5)

當(dāng)然，這些計(jì)算出的值應(yīng)該四舍五入到最接近的整數(shù)。在main.c文件的私有定義部分，為每個(gè)值創(chuàng)建一個(gè)#define指令（請參見以下圖11中的示例）。

c. 除了CCRx值之外，還應(yīng)在私有定義部分中定義控制的NeoPixel LED數(shù)量和DMA緩沖區(qū)大小。如圖11所示，只需將LED的數(shù)量乘以相應(yīng)的NeoPixel數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的位數(shù)即可（回想圖1和圖3）。還必須分配一個(gè)額外的緩沖區(qū)元素，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)CCRx值應(yīng)為零（復(fù)位信號(hào)）。

圖11：WS2812和SK6812LED的私有定義

d. 將列表2中提供的DMA完成回調(diào)函數(shù)添加到/* USER CODE BEGIN 0/和/USER CODE END 0*/之間的私有用戶代碼部分。務(wù)必將TIM_CHANNEL_x更改為步驟1c中配置的通道。

列表2：HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()函數(shù)的實(shí)施

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(htim, TIM_CHANNEL_x);

}

e. 最后，必須將應(yīng)用代碼添加到main()函數(shù)中。列表3提供了一個(gè)使用WS2812LED的示例main()函數(shù)，而列表4提供了使用SK6812 LED的類似示例main()函數(shù)。請注意，HAL_TIM_PWM_Start_DMA()函數(shù)的TIM_CHANNEL_x參數(shù)必須再次進(jìn)行修改，以匹配步驟1c中配置的通道。

列表3：RGB WS2812 LED的示例main()函數(shù)

int main(void)

{

/* USER CODE BEGIN 1 */

PixelRGB_tpixel[NUM_PIXELS] = {0};

uint32_tdmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};

uint32_t *pBuff;

int i, j, k;

uint16_t stepSize;

/* USER CODE END 1 */

/* MCUConfiguration--------------------------------------------------------*/

/* Reset of allperipherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */

HAL_Init();

/* USER CODE BEGIN Init*/

/* USER CODE END Init*/

/* Configure the systemclock */

SystemClock_Config();

/* USER CODE BEGINSysInit */

/* USER CODE ENDSysInit */

/* Initialize allconfigured 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 BEGINWHILE */

k = 0;

stepSize = 4;

while (1)

{

/* USER CODE ENDWHILE */

/* 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

{

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()函數(shù)

int main(void)

{

/* USER CODE BEGIN 1 */

PixelRGBW_tpixel[NUM_PIXELS] = {0};

uint32_tdmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};

uint32_t *pBuff;

int i, j, k;

uint16_t stepSize;

/* USER CODE END 1 */

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

/* Reset of allperipherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */

HAL_Init();

/* USER CODE BEGIN Init*/

/* USER CODE END Init*/

/* Configure the systemclock */

SystemClock_Config();

/* USER CODE BEGINSysInit */

/* USER CODE ENDSysInit */

/* Initialize allconfigured 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 BEGINWHILE */

k = 0;

stepSize = 4;

while (1)

{

/* USER CODE ENDWHILE */

/* 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

{

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 */

}

該項(xiàng)目現(xiàn)在應(yīng)該能夠成功構(gòu)建，并支持你在器件上運(yùn)行代碼了。

結(jié)論

使用邏輯分析儀捕獲了上面提供的RGB和RGBW配置生成的控制信號(hào)。分別如圖12和圖13中所示。請注意，它們與圖2和圖4中指定的預(yù)期輸出相匹配。

圖12：生成的WS2812控制信號(hào)（正在發(fā)送0b0011……）

圖13：生成的SK6812控制信號(hào)（正在發(fā)送0b0010……）

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