Q A &

問：玩轉STM32 - 使用 STM32 來控制 NeoPixels

目前，諸如Arduino和Feather等高級開發平臺已經提供了出色的支持，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（例如STM32 開發板）通常缺乏相同水平的支持。因此，希望將NeoPixels整合到項目中的 開發人員需要全面了解NeoPixel通信協議以及如何克服它所帶來的挑戰。

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兩個種類。盡管二者都將紅、綠和藍色LED與驅動器芯片相集成，但RGBW組件還集成了第四個純白色的LED。可以使用類似的單線串行接口來控制這兩種類型的NeoPixel，其時間值和數據結構僅存在微小的差異。

WS2812

RGB NeoPixels實際上是WS2812智能控制LED，包括數據信號輸入引腳（DIN）和數據信號輸出引腳（DOUT）。這允許多個LED級聯并且只用一個數據線進行控制。鏈中的第一個LED負責處理從MCU接收到的前三個字節數據，然后將后續的數據簡單地轉發給DOUT引腳，該引腳可以連接到另一個LED的DIN引腳。LED將以此方式繼續向下傳遞數據，直到它們接收到復位信號為止（即，DIN線在一段時間內持續保持低電平狀態）。傳輸的字節按照圖1所示的協議進行組織。第一個字節（G7-G0）表示綠色LED的8位PWM強度，其中0x00是完全關閉，0xFF是完全打開。類似地，第二個字節（R7-R0）用于控制紅色LED的強度，第三個字節（B7-B0）用于控制藍色LED的強度。

圖1：WS2812 LED的3字節數據協議的結構這些24位數據都是通過改變方波的脈沖寬度來進行編碼的，如圖2所示。請注意，無論發送代碼0還是代碼1，方波的周期仍保持在1.25μs。對于WS2812，使數據線保持低電平至少50μs即可生成復位信號。另請注意，圖2中顯示的計時值具有±0.15μs的公差。

圖2：WS2812 LED的0和1位的計時圖

一種截然不同的組件，NeoPixels的RGBW種類實際上是SK6812智能控制LED，采用與WS2812 LED相同的運作原理。然而，由于它們包含第四個LED，因此實施了圖3所示的4字節數據協議。與圖1相比，唯一的區別在于數據的串聯字節（W7-W0），該字節指定了白色LED的8位PWM強度。

圖3：SK6812 LED的4字節數據協議的結構。圖4展示了SK6812控制信號的時間值，同樣與WS2812略有差別（不過仍在±0.15μs的公差范圍內）。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的復位信號長度為80μs，而非50μs。

圖4：SK6812 LED的0位和1位的計時圖。

步驟

由于NeoPixel的控制信號對計時要求非常嚴格，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生此信號。雖然還有許多其他方法可以利用各種MCU外設、外部硬件或其組合來生成該信號，但其中最直接的方法是配置MCU定時器來生成PWM輸出信號。這是因為，如上一部分中所述，NeoPixel控制信號只是一種固定頻率的PWM信號，采用不同的占空比表示0位和1位。為了以與傳輸協議相同的速率高效地在這兩個占空比之間進行切換，還必須配置DMA流來管理更新。盡管這種方法可能是內存效率最低的方式，但它易于理解、CPU高效并且易于實施（得益于STM32Cube環境）。

以下應用程式利用STM32CubeIDE（版本1.8.0）、NUCLEO-F401RE開發板和RGBW5x8 NeoPixel Shield實現上述的方法。不過，這些步驟可以輕松地推廣到任何STM32MCU/板和NeoPixel產品上。假定我們已經創建了一個STM32CubeIDE項目。如需使用其他IDE，你可以改為使用獨立的STM32CubeMX代碼配置器工具，將項目導出到所需的開發平臺上。

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

圖5：將連接到DIN的GPIO引腳配置為定時器通道c. 從左側的組件列表中選擇上一步中確定的定時器外設，以打開模式和配置（*Mode andConfiguration）面板。在模式（*Mode）面板中，選擇“內部時鐘”作為時鐘源，并從適當的定時器通道的下拉列表中選擇“PWM生成CHx”。在圖6中，定時器2、通道3已設為“PWM生成CH3”模式，因為我在上一步中選擇了TIM2_CH3備用功能。請注意，在完成此步驟后，關聯的GPIO引腳應在引腳排列視圖中從黃色變為綠色。

d. 在定時器的*配置（*Configuration）面板中，驗證“預分頻器”和“脈沖”值是否都設置為0。計數器周期，即自動重載寄存器（ARR），需要進行設置以得到所需的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）。這將取決于定時器外設輸入的速率。只需將所需的PWM周期除以時鐘周期，并減去1即可得到此值（減去1是因為定數器從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，了解有關計算理想ARR值的詳細說明。

圖6：將所選定時器通道配置為PWM輸出計算ARR值

假設定時器“預分頻器”值設為0，可以很容易的計算出ARR值

具體來說，ARR值等于PWM信號周期除以定時器外設的時鐘信號周期。我們知道，根據使用的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格書，確定定時器外設連接到哪個總線。規格書可以在ST的網站上找到或STM32CubeIDE會隨附提供：選擇幫助>目標器件文檔和資源（Help>TargetDevice Docs and Resources）。然后，在MCU選項卡下選擇規格書，如圖7所示。

圖7：查找器件規格書

在我使用的MCU（STM32F401RE）規格書中，器件框圖中顯示我的定時器（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*時鐘配置（*Clock Configuration）選項卡，我們可以發現TIM2的時鐘頻率為84MHz

圖9：確定定時器時鐘頻率

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

a. 從組件列表中選擇DMA外設。

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

c. 針對該新的DMA請求，將方向改為“內存到外設”。

d. 同時，將優先級改為“非常高”。

e. 驗證默認的DMA請求設置是否與圖10中顯示的相匹配。

f. 保存.ioc文件，以生成項目代碼。

圖10：配置DMA流，以便有效更新PWM信號的占空比

3.編寫代碼

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

a. 在main.c文件的私有typedef部分，你可以創建一個新的數據類型，以便輕松訪問單個LED顏色值以及整個NeoPixel數據結構（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自定義數據類型

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，我們必須計算適當的CCRx值，以實現使用的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，這些值計算如下：

ZERO=(ARR+1)(0.32)

ONE=(ARR+1)(0.64)

對于RGBW SK6812 LED，其計算過程稍有不同。

ZERO=(ARR+1)(0.25)

ONE=(ARR+1)(0.5)

當然，這些計算出的值應該四舍五入到最接近的整數。在main.c文件的私有定義部分，為每個值創建一個#define指令（請參見以下圖11中的示例）。

c. 除了CCRx值之外，還應在私有定義部分中定義控制的NeoPixel LED數量和DMA緩沖區大小。如圖11所示，只需將LED的數量乘以相應的NeoPixel數據結構中的位數即可（回想圖1和圖3）。還必須分配一個額外的緩沖區元素，因為最后一個CCRx值應為零（復位信號）。

圖11：WS2812和SK6812LED的私有定義

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

列表2：HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()函數的實施

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(htim, TIM_CHANNEL_x);

}

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

列表3：RGB WS2812 LED的示例main()函數

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

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 */

}

該項目現在應該能夠成功構建，并支持你在器件上運行代碼了。

結論

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。分別如圖12和圖13中所示。請注意，它們與圖2和圖4中指定的預期輸出相匹配。

圖12：生成的WS2812控制信號（正在發送0b0011……）

圖13：生成的SK6812控制信號（正在發送0b0010……）

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