嵌入式WS2812实验报告

### 实验背景 WS2812 LED灯带是一种集成控制电路和RGB LED的智能光源，具有低电压驱动、环保节能、亮度高、散射角度大等优点[^1]。该灯带通过单线数据接口即可实现对每个LED的独立控制，适用于LED全彩发光字、灯串、模组、软硬灯条、护栏管、点光源、像素屏、异形屏以及各种电子产品或设备的跑马灯效果设计[^1]。 ### 实验目的 - 理解WS2812 LED灯带的工作原理及通信协议。 - 掌握嵌入式系统中如何通过微控制器（如STM32）控制WS2812灯带。 - 学会编写底层驱动程序以实现颜色控制、动画效果等功能。 - 验证并测试不同控制算法在实际硬件上的表现。 ### 实验环境 - 开发平台：STM32系列开发板（如STM32F4 Discovery或STM32H7系列） - 编程语言：C语言 - 开发工具：Keil MDK、STM32CubeIDE 或其他支持STM32的IDE - 调试工具：ST-Link调试器或使用串口/逻辑分析仪辅助调试 - 外设：WS2812B LED灯带若干颗（通常为5V供电） ### 实验内容与实现方法 #### WS2812通信协议解析 WS2812采用单线归零码（NRZ）进行数据传输，每位数据持续时间为1.25μs，其中高电平持续时间决定数据位是0还是1： - 0：高电平持续约0.4μs，低电平约0.85μs； - 1：高电平持续约0.8μs，低电平约0.45μs； 发送完24位RGB数据后，需保持至少50μs的低电平以触发显示更新。 #### 微控制器配置 在STM32上控制WS2812通常使用PWM定时器配合DMA技术来生成精确时序信号。例如： - 使用TIM1_CH1输出PWM波形； - 设置ARR寄存器为71（假设系统时钟为72MHz，则每单位计数为1/72M * 1e6 ≈ 13.89ns）； - PWM周期设为1.25μs，即对应一个数据位的时间长度； - 通过DMA将预定义的数据映射到TIM1的比较寄存器，从而动态改变输出波形。 #### 示例代码 以下是一个基于STM32 HAL库的简化版WS2812驱动示例： ```c #include "main.h" #include <string.h> #define LED_COUNT 30 uint8_t ws2812_buffer[LED_COUNT * 3]; // RGB三色数据缓存区 void WS2812_Send(void) { HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t*)ws2812_buffer, sizeof(ws2812_buffer)); } ``` 此函数启动DMA传输，将`ws2812_buffer`中的数据送入定时器通道1的比较寄存器，从而控制输出高/低电平的时间比例，模拟出所需的NRZ信号。 #### 应用示例 - **颜色设置**：通过修改`ws2812_buffer`数组中的R、G、B值来设定每个LED的颜色； - **渐变动画**：利用循环结构逐步改变相邻LED之间的颜色差值； - **呼吸灯效果**：结合定时器中断或延时函数调节亮度变化节奏。 ### 注意事项 - 数据传输必须严格按照WS2812协议要求的时序执行，否则可能导致颜色异常或不响应； - 在DMA+PWM方式下，需合理安排缓冲区大小与刷新频率； - 若出现颜色不稳定现象，应检查电源是否稳定、地线连接是否良好、是否存在干扰源； - 对于较长的灯带，建议分段供电以避免压降导致的亮度下降。