一、WS2812模塊簡(jiǎn)介

WS2812是一個(gè)集控制電路與發(fā)光電路于一體的智能外控LED光源。其外型與一個(gè)5050LED燈珠相同，每個(gè)元件即為一個(gè)像素點(diǎn)。像素點(diǎn)內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)整形放大驅(qū)動(dòng)電路，還包含有高精度的內(nèi)部振蕩器和12V高壓可編程定電流控制部分，有效保證了像素點(diǎn)光的顏色高度一致。
數(shù)據(jù)協(xié)議采用單線歸零碼的通訊方式，像素點(diǎn)在上電復(fù)位以后，DIN端接受從控制器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，首先送過(guò)來(lái)的24bit數(shù)據(jù)被第一個(gè)像素點(diǎn)提取后，送到像素點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器，剩余的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)部整形處理電路整形放大后通過(guò)DO端口開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)輸出給下一個(gè)級(jí)聯(lián)的像素點(diǎn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)像素點(diǎn)的傳輸，信號(hào)減少24bit。像素點(diǎn)采用自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，使得該像素點(diǎn)的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)不受信號(hào)傳送的限制，僅僅受限信號(hào)傳輸速度要求。
LED具有低電壓驅(qū)動(dòng)，環(huán)保節(jié)能，亮度高，散射角度大，一致性好，超低功率，超長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。將控制電路集成于LED上面，電路變得更加簡(jiǎn)單，體積小，安裝更加簡(jiǎn)便。

二、主要特點(diǎn)與LED特性參數(shù)

1. 特點(diǎn)
   ● 控制電路與RGB芯片集成在一個(gè)5050封裝的元器件中，構(gòu)成一個(gè)完整的外控像素點(diǎn)。
   ● 內(nèi)置信號(hào)整形電路，任何一個(gè)像素點(diǎn)收到信號(hào)后經(jīng)過(guò)波形整形再輸出，保證線路波形畸變不會(huì)累加。
   ● 內(nèi)置上電復(fù)位和掉電復(fù)位電路。
   ● 每個(gè)像素點(diǎn)的三基色顏色可實(shí)現(xiàn)256級(jí)亮度顯示，完成16777216種顏色的全真色彩顯示，掃描頻率不低于400Hz/s。
   ● 串行級(jí)聯(lián)接口，能通過(guò)一根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的接收與解碼。
   ● 任意兩點(diǎn)傳傳輸距離在不超過(guò)5米時(shí)無(wú)需增加任何電路。
   ● 當(dāng)刷新速率30幀/秒時(shí)，低速模式級(jí)聯(lián)數(shù)不小于512點(diǎn)，高速模式不小于1024點(diǎn)。
   ● 數(shù)據(jù)發(fā)送速度可達(dá)800Kbps。
   ● 光的顏色高度一致，性價(jià)比高。
2. LED參數(shù)

三、模塊引腳定義

四、工作原理與數(shù)據(jù)協(xié)議

工作原理

1. 高度集成的像素級(jí)控制
   WS2812 本質(zhì)上是將一個(gè)小型控制器和 3 顆小功率 LED 集成在一起的智能光源?。其封裝內(nèi)包含：

• 精密振蕩器：提供約 800 kHz 的時(shí)鐘參考，確保協(xié)議時(shí)序穩(wěn)定；?
• 數(shù)字移位寄存器：按順序接收并鎖存 24 bit 的顏色數(shù)據(jù)；?
• 信號(hào)重塑單元：對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行再生放大，保證后級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)信號(hào)不失真；?
• 恒流驅(qū)動(dòng)模塊：為 R、G、B 三色 LED 提供精確的驅(qū)動(dòng)電流，保證色彩一致性；?

2. 信號(hào)重塑與級(jí)聯(lián)能力
   當(dāng)?shù)谝活w WS2812 接收到完整的 24 bit 數(shù)據(jù)并將其鎖存后，余下的數(shù)據(jù)（即除自身所用的 24 bit 外）會(huì)被 信號(hào)重塑電路 放大并輸出到 DOUT，引入下一級(jí)的 DIN 端?。這一機(jī)制使得即使在長(zhǎng)鏈（理論上可達(dá)數(shù)千點(diǎn)）中，每一級(jí)仍能收到清晰、符合時(shí)序的波形，無(wú)需額外的中繼或放大器。

數(shù)據(jù)協(xié)議

1. 單線編碼
   WS2812 只需一根數(shù)據(jù)線即可傳輸所有信息，協(xié)議利用“高電平時(shí)長(zhǎng)”區(qū)分 0/1：
   ‘0’ 碼：高電平約 0.35 μs（±150 ns），低電平約 0.8 μs，總周期 ≈ 1.25 μs；?
   ‘1’ 碼：高電平約 0.7 μs，低電平約 0.6 μs，總周期 ≈ 1.25 μs；?
   這種編碼在高電平和低電平上都不歸零于同一電平，不僅簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，還提升了抗抖動(dòng)能力。
   
   
2. 24 Bit 數(shù)據(jù)格式
   每個(gè)像素點(diǎn)需要 24 bit，按 G7…G0 → R7…R0 → B7…B0 的順序依次發(fā)送?。例如，要顯示純綠（255，0，0），主控會(huì)發(fā)送：11111111 00000000 00000000；其中 11111111 對(duì)應(yīng)十進(jìn)制 255 的綠色通道，高位先發(fā)。
   
3. 復(fù)位與數(shù)據(jù)鎖存
   在一連串 24 bit 數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，必須將數(shù)據(jù)線拉低 > 50 μs，WS2812 內(nèi)部的移位寄存器才會(huì)被復(fù)位并將新接收的數(shù)據(jù)輸出到 LED 驅(qū)動(dòng)單元，否則會(huì)出現(xiàn)刷新失敗?。
4. 總線級(jí)聯(lián)
   WS2812 擁有內(nèi)置信號(hào)整形功能，能將余下的數(shù)據(jù)完整透?jìng)髦料乱患?jí)，無(wú)需中斷或額外控制。這使得在同一根數(shù)據(jù)線下，可以串聯(lián)數(shù)十、乃至上千顆 WS2812，主控只需一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送即可更新整條鏈?。

通過(guò)上述工作原理與協(xié)議解讀，在有多個(gè)led級(jí)聯(lián)的情況下，先發(fā)送第一個(gè)led的數(shù)據(jù)，后第二個(gè)、第三個(gè)、以此類推。

五、STM32F103C8T6驅(qū)動(dòng)示例

1.引腳接線

#include "ws2812.h"

void WS2812_Init(void) {
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
	
    //使能 TIM2、DMA1 和 GPIOA 時(shí)鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // TIM2 定時(shí)器時(shí)鐘
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);     // DMA1 總線時(shí)鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  // GPIOA 時(shí)鐘
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 90 - 1;		//ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;		//PSC
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;		//CCR
	TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
	
	DMA_DeInit(DMA1_Channel2);
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&TIM2- >CCR1;
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)My_ws_buf;
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
	DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
	DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 0;
	DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
	DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
	DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
	DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure);
	
	TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_Update, ENABLE);
}

/**
 * @brief  設(shè)置單顆 WS2812B 燈的 RGB 顏色（十進(jìn)制 0–255）
 * @param  r 紅色分量，0 表示關(guān)閉，255 表示最大亮度
 * @param  g 綠色分量，0 表示關(guān)閉，255 表示最大亮度
 * @param  b 藍(lán)色分量，0 表示關(guān)閉，255 表示最大亮度
 */
void WS2812B_SetColor(uint32_t r, uint32_t g, uint32_t b)
{
    uint16_t *p = My_ws_buf;         
    uint32_t mask, rep, bit;          
    uint32_t GRB_Data;
    
    GRB_Data = ((g & 0xFFU) < < 16)
             | ((r & 0xFFU) < < 8)
             |  (b & 0xFFU);         
 
    for (rep = 0; rep < LED_REPEAT; rep++) {
        mask = 1UL < < (BITS_PER_LED - 1);
        for (bit = 0; bit < BITS_PER_LED; bit++, mask > >= 1) {
            *p++ = (GRB_Data & mask) ? WS2812_HIGH : WS2812_LOW;
        }
    }
}

//發(fā)送信號(hào)
void WS2812B_Send(void)
{
    //清除 DMA 標(biāo)志、重載傳輸長(zhǎng)度
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2, LED_REPEAT * BITS_PER_LED);

    //啟動(dòng) DMA & 定時(shí)器
    DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

    //等待傳輸完成
    while (!DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2));

    //關(guān)閉 TIM & DMA 并清標(biāo)志，產(chǎn)生 >50μs 復(fù)位低電平
    TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);
}

void ws2812_OFF(void)
{
	WS2812B_SetColor(0, 0, 0);
	WS2812B_Send();
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "ws2812.h"
#include "delay.h"

static const uint8_t color_list[][3] = {
    {255,    0,   0},  // 紅
    {255,  125,   0},  // 橙
    {255,  255,   0},  // 黃
    {  0,  255,   0},  // 綠
    {  0,  255, 255},  // 青
    {  0,    0, 255},  // 藍(lán)
    {255,    0, 255},  // 紫
    {  0,    0,   0}   // 關(guān)燈
};

uint16_t NUM_COLORS = sizeof(color_list) / sizeof(color_list[0]);
uint32_t idx = 0;

int main(void)
{
    WS2812_Init(); 
//	ws2812_OFF();
	
	while(1){
		uint8_t r = color_list[idx][0];
        uint8_t g = color_list[idx][1];
        uint8_t b = color_list[idx][2];
        
        WS2812B_SetColor(r, g, b);
        WS2812B_Send();
		
		Delay_ms(1000);
		idx = (idx + 1) % NUM_COLORS;
	}
}

3. 效果展示
   

總結(jié)

WS2812 是一款將控制電路、信號(hào)整形放大和恒流驅(qū)動(dòng)與 RGB 發(fā)光單元集成于 5050 封裝中的智能化全彩 LED 模塊，僅需一根數(shù)據(jù)線即可以 800 kbps 單線協(xié)議傳輸精確的色彩控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)郊?jí)聯(lián)上千點(diǎn)的獨(dú)立尋址與顯示?。內(nèi)部集成的數(shù)字移位寄存器與精密振蕩器可按 GRB 順序（G7…G0→R7…R0→B7…B0）接收并鎖存 24 bit 顏色數(shù)據(jù)，隨后通過(guò)恒流驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)不同位的高低電平寬度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)亮度，并將余下數(shù)據(jù)重塑后輸出到下一顆，實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)聯(lián)??？蓮V泛應(yīng)用于燈帶、燈環(huán)、可穿戴燈效、舞臺(tái)裝飾等場(chǎng)景?。
注意事項(xiàng)：

• 嚴(yán)格時(shí)序控制：軟件模擬易受中斷或系統(tǒng)抖動(dòng)影響，易導(dǎo)致亮度不穩(wěn)定或色偏，推薦使用定時(shí)器+DMA、SPI 或 RMT（ESP32）等硬件外設(shè)生成 PWM 波形，以確保 T0H/T1H 與 T0L/T1L 寬度的高精度?。
• 復(fù)位低電平：發(fā)送完 24 bit 數(shù)據(jù)后，必須將數(shù)據(jù)線保持低電平 > 50 μs，WS2812 內(nèi)部才會(huì)將新數(shù)據(jù)鎖存并更新輸出；低于此時(shí)長(zhǎng)可能導(dǎo)致刷新失敗或出現(xiàn)殘影?。
• 鏈?zhǔn)郊?jí)聯(lián)能力：得益于內(nèi)部信號(hào)整形，單線級(jí)聯(lián)可支持 ≥ 1 024 個(gè)像素刷新（30 fps 條件下）；在更高刷新率或更長(zhǎng)鏈長(zhǎng)場(chǎng)景下，建議分段布線并選用多路輸出或并行總線以降低時(shí)延和信號(hào)累積失真?。

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審核編輯 黃宇