零知開源——使用 GPIO 模擬時序驅動 WS2812B LED 燈帶

?利用零知增強版的GPIO 模擬時序

在本教程中，我們將探討如何使用 零知增強版的 GPIO 接口來模擬 WS2812B LED 燈帶的信號傳輸時序，從而實現(xiàn)對單色或多彩 LED 燈帶的控制。這種技術允許我們避開專用驅動庫，直接與硬件進行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信機制。

一、工具原料

電腦、Windows系統(tǒng)

零知增強版開發(fā)板

Micro-usb線

WS2812RGB燈

WS2812B 是一款內含控制器芯片的全彩 LED 燈珠，每個燈珠可以獨立顯示紅、綠、藍三色。它通過單一數(shù)據(jù)線接收命令，實現(xiàn)高精度顏色控制。

二、硬件連接

1、硬件連接示意圖

2、實際效果

三、傳輸時序和顏色控制

1、信號傳輸時序

WS2812B 的數(shù)據(jù)傳輸遵循特定的時間序列：

高電平持續(xù)時間決定比特值：T1H 和 T0H 分別代表比特 1 和比特 0 的高電平持續(xù)時間。

低電平持續(xù)時間：T1L 和 T0L。

注：T1H為 800ns，T1L為 450ns 表示 1 比特。

T0H為 400ns，T0L為 850ns 表示 0 比特。

2、顏色控制

控制全局亮度和遵循WS2812B發(fā)送的時序：

通過brightness參數(shù)調節(jié)RGB燈的全局亮度

WS2812B協(xié)議發(fā)送時序為G -> R -> B

四、代碼驅動

1、相關定義和初始化

?// WS2812B相關定義
#define WS2812B_PIN 51      // WS2812B數(shù)據(jù)引腳
#define NUM_LEDS 8          // 燈珠數(shù)量
#define MAX_BRIGHTNESS 0.5  // 全局亮度調節(jié)（范圍：0.0 - 1.0）
 
// WS2812B控制協(xié)議時間（根據(jù)各自的時序進行修改該定義）
#define T1H 800
#define T1L 450
#define T0H 400
#define T0L 850
 
// 初始化WS2812B引腳
void setupWS2812B() {
    pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
}
 
// 更精確的納秒延時函數(shù)（這里只是示例，實際可能需要更復雜的實現(xiàn)）
// 假設使用了支持納秒級延時的定時器庫
// 這里暫時使用簡單的微秒級延時近似
void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
    delayMicroseconds(ns / 1000);
}

2、控制顏色和發(fā)送相關數(shù)據(jù)

?
// 發(fā)送一個比特
void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
    if (bitVal) {
        // 發(fā)送邏輯1
        digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
        delayNanoseconds(T1H);
        digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
        delayNanoseconds(T1L);
    } else {
        // 發(fā)送邏輯0
        digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
        delayNanoseconds(T0H);
        digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
        delayNanoseconds(T0L);
    }
}

// 發(fā)送一個字節(jié)
void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        WS2812B_SendBit(byte & (1  R -> B
    WS2812B_SendByte(green);
    WS2812B_SendByte(red);
    WS2812B_SendByte(blue);
}

3、實現(xiàn)流水燈、呼吸燈等功能

?
// 效果：彩虹追逐
void rainbowChaseEffect(uint8_t wait) {
    for (int offset = 0; offset < 255; offset++) {
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            int hue = (i * 255 / NUM_LEDS + offset) % 255;
            uint8_t r = 0, g = 0, b = 0;
            if (hue < 85) {
                r = 255 - hue * 3;
                g = hue * 3;
                b = 0;
            } else if (hue < 170) {
                hue -= 85;
                r = 0;
                g = 255 - hue * 3;
                b = hue * 3;
            } else {
                hue -= 170;
                r = hue * 3;
                g = 0;
                b = 255 - hue * 3;
            }
            WS2812B_SendColor(r, g, b, MAX_BRIGHTNESS);
        }
        delay(wait);
    }
}

// 呼吸燈效果
void breathAndFlow(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t steps, uint16_t period, uint8_t wait, uint8_t iterations) {
    int ledStep[NUM_LEDS]; // 為每個 LED 創(chuàng)建一個步驟計數(shù)器
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        ledStep[i] = 0; // 初始化每個LED的步進
    }

    uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循環(huán)計數(shù)器

    while (cycleCounter < iterations) { // 有限循環(huán)，迭代指定次數(shù)
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            // 計算當前 LED 的亮度比例
            float brightness = (sin(ledStep[i] * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
            WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用計算出的亮度

            // 更新 LED 的步驟計數(shù)器，模擬呼吸效果
            ledStep[i] = (ledStep[i] + 1) % (steps * 2); // 確保計數(shù)器在達到兩倍步驟后重置

            // 計算每個步驟的時間間隔
            delayMicroseconds(period / steps);
        }
       
        // 在一輪呼吸之后關閉所有燈
        clearAllLeds();

        // 增加循環(huán)計數(shù)器
        cycleCounter++;

        // 根據(jù)需要添加延遲，雖然這不是必須的
        delay(wait);
    }
}

// 增加一個狀態(tài)變量來記錄是否有顏色覆蓋
bool isCovered = false;

// 流水燈
void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
    // 特殊處理第一個燈
    WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    // 從第二個燈開始的索引為1
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
            if (i - j == 0) {
                if (!isCovered) {
                    // 如果沒有被覆蓋，設置為綠色
                    WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS);
                } else {
                    WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
                }
            } else {
                WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS * trailDecay / 255.0);
            }
        }
        if (i == NUM_LEDS - 1) {
            // 當?shù)竭_最后一個燈時，標記為已覆蓋
            isCovered = true;
        }
        delay(wait);
    }
}

4、控制燈的狀態(tài)

?
// 設置特定位置燈珠顏色
void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    if (pos < NUM_LEDS) {
        // 只發(fā)送前面燈珠的關閉信號，直到要設置顏色的燈珠位置
        for (int i = 0; i < pos; i++) {
            WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
        }
        // 設置目標燈珠顏色
        WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
        // 發(fā)送后面燈珠的關閉信號，從目標燈珠的下一個位置開始
        for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
            WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
        }
    }
}

// 設置所有燈珠顏色
void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    clearAllLeds();// 先清除所有燈珠，確保沒有雜色
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
    }
}

// 清除所有燈珠
void clearAllLeds() {
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
        WS2812B_SendByte(0);
    }
}

?

5、主循環(huán)

?
// 初始化
void setup() {
    setupWS2812B();
    clearAllLeds();  // 確保燈帶初始狀態(tài)關閉
}

// 主循環(huán)
void loop() {
    uint8_t Count = 0;
    //clearAllLeds();
    // 設置第六個燈珠為藍色
    //setLedColor(5, 0, 0, 255, MAX_BRIGHTNESS);
    //delay(500);
    while(Count < 10)
    {
      ShampEffect(0, 0, random(255), 256, 200);
      Count ++;
    }
   
    //rainbowChaseEffect(1000);
    breathAndFlow(0,255,0,5,50,100,100);
}

五、成果展示

將上訴代碼驗證后上傳到零知板，可以看到以下流水燈、呼吸燈等測試結果。

https://live.csdn.net/v/437153?spm=1001.2014.3001.5501
?

使用 GPIO 模擬時序驅動 WS2812B LED 燈帶

審核編輯 黃宇