【技术分享】GD32台阶流水灯项目之硬件问题与改善

21小跑堂 · 2023-8-9 16:49

本帖最后由 blust5 于 2023-8-10 08:18 编辑

#申请原创# @21小跑堂 @21小跑堂 @21小跑堂

先来说一下前景提要。

最近与朋友一起搞了一个台阶流水灯项目，安装在楼梯台阶侧面和扶手上，人走过时次第点亮与熄灭。

台阶上的灯使用长条形灯条，每个灯条对应一颗LED控制芯片。

扶手或者墙壁上的灯带使用流水灯带，LED控制芯片直接焊接在灯带上面。

这种灯条和灯带都是用的RGB灯，可以显示各种颜色，不过我们做的项目目前只显示了白色，只是亮度可调。

灯条和灯带的LED控制芯片都是WS2811，这是一颗单线256级灰度三通道恒流LED驱动IC，可以很方便的级联多个芯片，只需要一个IO口就能控制一长串灯，很适合这个项目。

LED驱动_WS2811_规格书.PDF (709.23 KB)

2023-8-9 16:48 上传

点击文件名下载附件

项目使用GD32E230K8T6芯片，带4位数码管显示和三个按键。

主芯片部分电路图。

上图是三路LED驱动电路接口。这篇帖子主要也是讲这部分内容的。

正常来说IO口直接连接灯带的数据输入口就可以实现控制，这里增加了一个三极管，是为了增加驱动能力，因为灯带的连接线可能会比较长。

根据LED驱动IC的芯片手册上说明的时序，编写驱动程序。

可以看到，时序需要控制在纳秒级。MCU的时钟使用的是72MHz，是可以实现纳秒级控制的。

但是这里使用定时器的话，会比较麻烦，各类接口跳转、入栈出栈动作耗费的时间在这里就无法忽略了。

因此这里直接使用IO翻转加上空指令的方式进行驱动，通过调整NOP指令数量来调节高低电平时间。代码内容如下：

复制

void ws_step_reset()

{

    gpio_bit_set(STEP_LED_PORT,STEP_LED_PIN);

    delay_1ms(1);

}



void ws_step_set1(uint32_t led_data)

{

    uint8_t i;



    for(i=0;i<24;i++)

    {

        if((led_data & 0x800000))

        {

            gpio_bit_reset(STEP_LED_PORT,STEP_LED_PIN);

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            gpio_bit_set(STEP_LED_PORT,STEP_LED_PIN);

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

        }

        else

        {

            gpio_bit_reset(STEP_LED_PORT,STEP_LED_PIN);

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            gpio_bit_set(STEP_LED_PORT,STEP_LED_PIN);

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

            __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();

        }

        led_data <<= 1;

    }

}

由于LED驱动接口增加了一颗三极管用来驱动，所以实际输出信号与MCU的IO口信号是反的，因此这里的高低电平和手册上是反过来的。

驱动函数到这里就完成了，使用的时候直接调用ws_step_set1()函数和ws_step_reset()函数即可，其中ws_step_set1()函数的参数为LED灯的亮度和颜色信息，为32位数据，其中有效位数为24位，R、G、B信息各占8位。

当使用级联灯带或灯条时，只需多次调用ws_step_set1()函数，并在最终位置调用ws_step_reset()函数即可。

程序编写完成，开始进行测试。

在用示波器调试波形占空比的时候，发现无法完成相对精确的时间调整。比如哪怕把某一部分的NOP指令完全删掉，还是会有相当一部分信号宽度在。

经过分析，猜测可能是库函数接口调用过程占用了时间，于是直接将gpio_bit_set()函数和gpio_bit_reset()函数直接替换成寄存器操作，减少调用过程。IO口的置位和复位操作分别替换成如下语句：

复制

GPIO_BC(STEP_LED_PORT) = (uint32_t)STEP_LED_PIN;    // IO口复位操作

GPIO_BOP(STEP_LED_PORT) = (uint32_t)STEP_LED_PIN;    // IO口置位操作

然后继续调整高低电平的时间，发现果然如此，换成寄存器直接操作的话，时间范围的可调整性就出来了。通过调整NOP数量完成时序匹配之后，驱动代码已经完成，准备接入灯带进行测试。

果然开发过程没办法一帆风顺。测试时发现LED灯带并没有按照预期的亮度和颜色配置亮起来，出现亮灯情况和参数配置对不上的问题。

通过示波器观察输出口波形，发现波形失真，三极管导通时可以很及时，但是关断时总是延迟一段时间，从而导致最终波形与预设参数不符。

于是考虑更换三极管。将三极管更换成MOS，进行测试，发现并没有很好的改善。

朋友忽然之间想到一个方法，在这里放一颗WS2811芯片，用这颗芯片进行驱动能力的提升。并在进行LED灯带控制的时候，跳过这一颗芯片对应的LED灯，即控制灯带时在开头增加一个灯位的数据。

于是进行测试，测试结果还算可以，WS2811确实可以很好的将信号转发出去，但是发现了另一个问题：WS2811芯片不仅仅是进行信号转发，还进行了信号的二次整形。也就是说WS2811芯片在转发时，会把符合1码的高电平时间改为600ns，将符合0码的高电平时间改为300ns，而不论之前接收到的高电平时间是多少。

这会造成一个问题：如果灯带或灯条的LED驱动芯片不是WS2811而是其他同类芯片，对应高低电平时间不一样的话，就无法仅仅通过修改代码来完成适配了。

于是继续想其他方式。最终专门找了一颗驱动增强芯片SN74LVC2G34，来进行信号驱动增强。

sn74lvc2g34.pdf (894.14 KB)

2024-2-5 11:01

看起来是一个简单的项目其实里边涉及到的细节真的不少

2024-2-5 11:38

如果使用多个三极管或者二极管呢是否可行

2024-2-5 20:07

ws2811应该是专门用于驱动灯带的芯片

2024-2-5 20:43

这个项目一共需要多少片ws2812才够用呢

2024-2-5 21:17

人走过的时候通过什么部件进行检测的呢

2024-2-5 21:51

该芯片所能带动的小灯是以灯带数量算还是小灯泡数量算呢

2024-4-30 16:39

非常不错的帖子，值得推广扩散！！！

2024-6-30 15:23

使用GD32E230K8T6芯片驱动WS2811 LED控制芯片的电路设计和驱动程序编写，

专栏首页

【技术分享】GD32台阶流水灯项目之硬件问题与改善

打赏榜单

技术导师奖章

十世金身

无冕之王奖章

沉静之湖泊

技术领袖奖章

坚毅之洋流

荣誉元老奖章

奔腾之江水

经常做客

涓涓之细流

技术高手奖章

伴坛终老

甘甜之泉水