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WS2812 LED燈珠，這是一種非常流行的可尋址RGB LED。每個(gè)WS2812 LED內(nèi)部集成了控制電路，因此可以通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)輸入線來(lái)單獨(dú)控制每一個(gè)LED的顏色和亮度。這種特性使得WS2812非常適合用來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的燈光效果和圖案。

一、控制邏輯

WS2812 LED的控制邏輯是基于一種特定的數(shù)據(jù)協(xié)議，這種協(xié)議通過(guò)單線串行接口（通常稱為“數(shù)據(jù)線”或“DIN”）來(lái)傳輸顏色信息。每個(gè)WS2812 LED都有一個(gè)內(nèi)置的集成電路，能夠解碼從數(shù)據(jù)線上接收到的信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)設(shè)置LED的顏色和亮度。

1、WS2812的數(shù)據(jù)協(xié)議

位時(shí)序：每個(gè)比特由高電平和低電平組成。

邏輯0：高電平持續(xù)約0.4微秒，然后是低電平持續(xù)約0.85微秒。

邏輯1：高電平持續(xù)約0.8微秒，然后是低電平持續(xù)約0.45微秒。

字節(jié)時(shí)序：每個(gè)LED需要24比特（3個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色通道。

數(shù)據(jù)格式為GRB（綠色、紅色、藍(lán)色），而不是常見的RGB。

幀時(shí)序：所有LED的數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送，最后一個(gè)LED的數(shù)據(jù)之后需要有一個(gè)復(fù)位信號(hào)（至少50微秒的低電平）。

2、控制邏輯步驟

1、設(shè)置數(shù)據(jù)線為輸出模式。

2、確保在開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前，數(shù)據(jù)線處于低電平狀態(tài)。

3、對(duì)于每個(gè)LED，依次發(fā)送24比特的數(shù)據(jù)（先綠色，后紅色，最后藍(lán)色）。

4、每個(gè)比特通過(guò)精確控制高電平和低電平的時(shí)間來(lái)表示邏輯0或邏輯1。

5、在所有LED的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送一個(gè)至少50微秒的低電平信號(hào)，以觸發(fā)所有LED更新其顯示狀態(tài)。

二、示例代碼

為了方便使用，我使用51單片機(jī)進(jìn)行模擬，并且舉例了三種不同的控制邏輯。

1、使用“堆指令”方法進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)

這個(gè)比較簡(jiǎn)單，就不做過(guò)多介紹，直接貼代碼。

#include 

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假設(shè)WS2812的數(shù)據(jù)線連接到了P1.0

void delay_us(unsigned int us) {
    unsigned char i;
    while (us--) {
        _nop_();  // 根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整NOP的數(shù)量
        for (i = 0; i < 120; i++) {  // 大約1微秒的延時(shí)
            _nop_();
        }
    }
}

void write_bit(unsigned char bit) {
    if (bit) {  // 寫邏輯1
        WS2812_PIN = 1;
        delay_us(800);  // 高電平約0.8微秒
        WS2812_PIN = 0;
        delay_us(450);  // 低電平約0.45微秒
    } else {  // 寫邏輯0
        WS2812_PIN = 1;
        delay_us(400);  // 高電平約0.4微秒
        WS2812_PIN = 0;
        delay_us(850);  // 低電平約0.85微秒
    }
}

void send_color(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue) {
    unsigned char i;
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((red >> i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((green >> i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((blue >> i) & 1);
    }
}

void main() {
    WS2812_PIN = 0;  // 初始化引腳為低電平
    while (1) {
        send_color(255, 0, 0);  // 發(fā)送紅色
        delay_ms(500);  // 延時(shí)500毫秒
        send_color(0, 255, 0);  // 發(fā)送綠色
        delay_ms(500);
        send_color(0, 0, 255);  // 發(fā)送藍(lán)色
        delay_ms(500);
    }
}

2、PWM功能來(lái)模擬時(shí)序

PWM功能來(lái)模擬WS2812 LED的時(shí)序信號(hào)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)樾枰浅＞_地控制高電平和低電平的時(shí)間。WS2812 LED對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序要求非常嚴(yán)格，通常情況下直接使用PWM并不容易達(dá)到這樣的精度。不過(guò)，如果你確實(shí)希望嘗試這種方法，可以考慮以下步驟：

①PWM配置

選擇合適的定時(shí)器：51單片機(jī)通常有多個(gè)定時(shí)器（如Timer0, Timer1），你需要選擇一個(gè)定時(shí)器并配置其工作在PWM模式。

設(shè)置PWM頻率：根據(jù)你的具體需求，設(shè)置合適的PWM頻率。對(duì)于WS2812來(lái)說(shuō)，通常需要在幾百kHz到幾MHz之間。

②生成精確的時(shí)序

調(diào)整占空比：通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)近似WS2812所需的高電平和低電平時(shí)間。例如，邏輯0需要大約0.4微秒的高電平時(shí)間和0.85微秒的低電平時(shí)間；邏輯1需要大約0.8微秒的高電平時(shí)間和0.45微秒的低電平時(shí)間。

中斷處理：利用定時(shí)器中斷來(lái)更新PWM的占空比，確保每個(gè)位都能被準(zhǔn)確發(fā)送。

#include 

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假設(shè)WS2812的數(shù)據(jù)線連接到了P1.0

void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01;  // 設(shè)置Timer0為模式1（16位計(jì)數(shù)器）
    TH0 = (65536 - 500) / 256;  // 設(shè)置初值，產(chǎn)生約200kHz的PWM
    TL0 = (65536 - 500) % 256;
    ET0 = 1;  // 使能Timer0中斷
    EA = 1;   // 開啟全局中斷
    TR0 = 1;  // 啟動(dòng)Timer0
}

void write_bit(unsigned char bit) {
    if (bit) {  // 寫邏輯1
        TH0 = (65536 - 800) / 256;  // 高電平約0.8微秒
        TL0 = (65536 - 800) % 256;
        while (!TF0);  // 等待中斷標(biāo)志
        TF0 = 0;  // 清除中斷標(biāo)志
        TH0 = (65536 - 450) / 256;  // 低電平約0.45微秒
        TL0 = (65536 - 450) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
    } else {  // 寫邏輯0
        TH0 = (65536 - 400) / 256;  // 高電平約0.4微秒
        TL0 = (65536 - 400) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
        TH0 = (65536 - 850) / 256;  // 低電平約0.85微秒
        TL0 = (65536 - 850) % 256;
        while (!TF0);
        TF0 = 0;
    }
}

void send_color(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue) {
    unsigned char i;
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((red >> i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((green >> i) & 1);
    }
    for (i = 7; i >= 0; i--) {
        write_bit((blue >> i) & 1);
    }
}

void main() {
    Timer0_Init();  // 初始化定時(shí)器
    while (1) {
        send_color(255, 0, 0);  // 發(fā)送紅色
        delay_ms(500);  // 延時(shí)500毫秒
        send_color(0, 255, 0);  // 發(fā)送綠色
        delay_ms(500);
        send_color(0, 0, 255);  // 發(fā)送藍(lán)色
        delay_ms(500);
    }
}

注意事項(xiàng)

時(shí)鐘頻率：確保你的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率足夠高，能夠支持所需的時(shí)間分辨率。

延時(shí)函數(shù)：delay_ms和_nop_等延時(shí)函數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

中斷處理：上述代碼中沒(méi)有包含中斷服務(wù)程序，實(shí)際上你可能需要在中斷服務(wù)程序中處理PWM的占空比變化

3、使用硬件spi模擬時(shí)序

為什么可以考慮使用硬件SPI呢？

①高速度：硬件SPI通常比軟件模擬的串行通信更快。

②減輕CPU負(fù)擔(dān)：硬件SPI由專用硬件控制，可以減少CPU的負(fù)擔(dān)，使其能夠執(zhí)行其他任務(wù)。

③穩(wěn)定性：硬件SPI提供的信號(hào)更加穩(wěn)定，不容易受到中斷或其他因素的影響。

如何實(shí)現(xiàn)。

#include 

sbit WS2812_PIN = P1^0;  // 假設(shè)WS2812的數(shù)據(jù)線連接到了P1.0

void SPI_Init() {
    SCON = 0x50;  // 設(shè)置為模式0，波特率設(shè)置為T1溢出率的1/12
    TMOD |= 0x20;  // 設(shè)置Timer1為模式2（8位自動(dòng)重裝）
    TH1 = 0xFD;  // 設(shè)置波特率為9600bps（具體值可能需要根據(jù)晶振頻率調(diào)整）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;  // 啟動(dòng)Timer1
}

void SPI_WriteByte(unsigned char byte) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        TI = 1;  // 設(shè)置TI標(biāo)志，準(zhǔn)備發(fā)送
        while (!TI);  // 等待TI標(biāo)志清零
        if (byte & 0x80) {
            SBUF = 0xFF;  // 發(fā)送邏輯1
        } else {
            SBUF = 0x00;  // 發(fā)送邏輯0
        }
        byte 

	

	注意事項(xiàng)

	①時(shí)序調(diào)整：實(shí)際應(yīng)用中，你可能需要根據(jù)具體的時(shí)鐘頻率和硬件特性調(diào)整SPI的配置和延時(shí)函數(shù)，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

	②復(fù)位信號(hào)：確保在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后正確地發(fā)送復(fù)位信號(hào)，以便WS2812 LED更新顯示。

	③硬件限制：某些51單片機(jī)可能沒(méi)有內(nèi)置的SPI控制器，這種情況下你可能需要使用軟件模擬SPI或者選擇其他方法。

	三、總結(jié)

	通過(guò)上述三種方法，你可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求和硬件條件選擇最適合的控制方式。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的性能要求、硬件資源以及開發(fā)復(fù)雜度。希望這些信息對(duì)你理解和實(shí)現(xiàn)WS2812 LED的控制有所幫助。

	?審核編輯 黃宇