零知开源——使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带
本帖最后由 lingzhiLab 于 2025-2-20 10:51 编辑#申请原创#
利用零知增强版的GPIO 模拟时序
在本教程中，我们将探讨如何使用 零知增强版的 GPIO 接口来模拟 WS2812B LED 灯带的信号传输时序，从而实现对单色或多彩 LED 灯带的控制。这种技术允许我们避开专用驱动库，直接与硬件进行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信机制。
一、工具原料电脑、Windows系统
零知增强版开发板
Micro-usb线
WS2812RGB灯
WS2812B 是一款内含控制器芯片的全彩 LED 灯珠，每个灯珠可以独立显示红、绿、蓝三色。它通过单一数据线接收命令，实现高精度颜色控制。
二、硬件连接
零知增强版
WS2812B
5V
VCC
GND
GND
51
Din
1、硬件连接示意图
2、实际效果
三、传输时序和颜色控制
1、信号传输时序
WS2812B 的数据传输遵循特定的时间序列：
[*]高电平持续时间决定比特值：T1H 和 T0H 分别代表比特 1 和比特 0 的高电平持续时间。
[*]低电平持续时间：T1L 和 T0L。
注：T1H 为 800ns，T1L 为 450ns 表示 1 比特。
T0H 为 400ns，T0L 为 850ns 表示 0 比特。
2、颜色控制控制全局亮度和遵循WS2812B发送的时序：
[*]通过brightness参数调节RGB灯的全局亮度
[*]WS2812B协议发送时序为G -> R -> B
四、代码驱动
1、相关定义和初始化// WS2812B相关定义
#define WS2812B_PIN 51 // WS2812B数据引脚
#define NUM_LEDS 8 // 灯珠数量
#define MAX_BRIGHTNESS 0.5// 全局亮度调节（范围：0.0 - 1.0）
// WS2812B控制协议时间（根据各自的时序进行修改该定义）
#define T1H 800
#define T1L 450
#define T0H 400
#define T0L 850
// 初始化WS2812B引脚
void setupWS2812B() {
pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
}
// 更精确的纳秒延时函数（这里只是示例，实际可能需要更复杂的实现）
// 假设使用了支持纳秒级延时的定时器库
// 这里暂时使用简单的微秒级延时近似
void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
delayMicroseconds(ns / 1000);
}
2、控制颜色和发送相关数据// 发送一个比特
void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
if (bitVal) {
// 发送逻辑1
digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
delayNanoseconds(T1H);
digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
delayNanoseconds(T1L);
} else {
// 发送逻辑0
digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
delayNanoseconds(T0H);
digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
delayNanoseconds(T0L);
}
}
// 发送一个字节
void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
WS2812B_SendBit(byte & (1 << i));
}
}
// 发送RGB颜色数据（带亮度调节）
void WS2812B_SendColor(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
// 应用全局亮度调节
red = (uint8_t)(red * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
green = (uint8_t)(green * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
blue = (uint8_t)(blue * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
// WS2812B协议发送顺序：G -> R -> B
WS2812B_SendByte(green);
WS2812B_SendByte(red);
WS2812B_SendByte(blue);
}
3、实现流水灯、呼吸灯等功能// 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);
}
}
// 呼吸灯效果
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; // 为每个 LED 创建一个步骤计数器
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
ledStep = 0; // 初始化每个LED的步进
}
uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循环计数器
while (cycleCounter < iterations) { // 有限循环，迭代指定次数
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
// 计算当前 LED 的亮度比例
float brightness = (sin(ledStep * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用计算出的亮度
// 更新 LED 的步骤计数器，模拟呼吸效果
ledStep = (ledStep + 1) % (steps * 2); // 确保计数器在达到两倍步骤后重置
// 计算每个步骤的时间间隔
delayMicroseconds(period / steps);
}
// 在一轮呼吸之后关闭所有灯
clearAllLeds();
// 增加循环计数器
cycleCounter++;
// 根据需要添加延迟，虽然这不是必须的
delay(wait);
}
}
// 增加一个状态变量来记录是否有颜色覆盖
bool isCovered = false;
// 流水灯
void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
// 特殊处理第一个灯
WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
// 从第二个灯开始的索引为1
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
if (i - j == 0) {
if (!isCovered) {
// 如果没有被覆盖，设置为绿色
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) {
// 当到达最后一个灯时，标记为已覆盖
isCovered = true;
}
delay(wait);
}
}
4、控制灯的状态// 设置特定位置灯珠颜色
void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
if (pos < NUM_LEDS) {
// 只发送前面灯珠的关闭信号，直到要设置颜色的灯珠位置
for (int i = 0; i < pos; i++) {
WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
}
// 设置目标灯珠颜色
WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
// 发送后面灯珠的关闭信号，从目标灯珠的下一个位置开始
for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
}
}
}
// 设置所有灯珠颜色
void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
clearAllLeds();// 先清除所有灯珠，确保没有杂色
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
}
}
// 清除所有灯珠
void clearAllLeds() {
for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
WS2812B_SendByte(0);
}
}
5、主循环// 初始化
void setup() {
setupWS2812B();
clearAllLeds();// 确保灯带初始状态关闭
}
// 主循环
void loop() {
uint8_t Count = 0;
//clearAllLeds();
// 设置第六个灯珠为蓝色
//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、成果展示将上诉代码验证后上传到零知板，可以看到以下流水灯、呼吸灯等测试结果。
https://live.csdn.net/v/437153?spm=1001.2014.3001.5501
https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/059fd3d4eaab79db70a7422918e8f633.jpeg
使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带
做常识性围观一下，毕竟很多代码都不认识。 非常不错的学习实例 用定时器写好些
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