.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX的實現

2022-04-05 16:01:59

彩色燈帶，相信不用老周多說，大家都知道，沒準你家裡的燈牆裡面就有。老周的茅屋是早期建造的，所以沒有預留的燈槽，明燈的話是不好看的，因此老周家裡沒使用燈帶。不過，像櫃子後面，顯示器後面，書桌邊沿這些地方，可以貼彩色燈帶。書架上也貼了一些，因為那個書架是聖誕樹形狀的，沒辦法一條燈帶貼完，只能把它剪開 N 段，測算好每一段的距離，再用烙鐵加線重新焊接起來（嫌麻煩的話可以直接買連線頭，不用焊接）。

買燈帶時老周沒有買驅動器，畢竟一開始老周就計劃自己寫個程式來控制燈帶的色彩。裝飾用的燈帶，5V 電壓足矣。如果燈較多可以考慮獨立供電，5V電源比較方便好弄，手機充電頭、鋰電池+5V穩壓板即可輕鬆解決。其實，兩米長度內直接用開發板供電都沒啥問題。要是五米一卷的，用樹莓派的5V引腳供電沒有問題，但用 ESP32 的話，電壓好像有點不夠，亮度降低。

老周的臥室裡面目前使用的裝飾燈是用 ESP 32 做的，兩顆18650電池供電（需要穩壓模組調到5V電壓）。主要是看中 ESP32有 WiFi 功能，上面寫個 UDP 伺服器，通過接收到的命令來切換燈帶顏色。

控制命令比較簡單，全用文字格式，使用者端只要傳送滿足格式要求的命令到 ESP32 即可。比如，傳送

SET+255 125 127

首先識別出“SET+”，後面三個數值用空格分隔，依次表示 RGB 三個值。例如，讓燈變成藍色

SET+0 0 255

彩色燈帶使用 WS28XX 作為IC，常見的像 WS2812B。每個燈珠都可以單獨控制，燈帶剪開後只需要串聯好就行，燈帶末端不需要連線迴路，WS28XX 自帶回路。

WS28XX 的時序其實很簡單，+5V 和 GND 是供電介面，剩下一根傳輸線來傳輸訊號，所以這貨是單傳輸線控制的。當N個燈珠串聯起來後，第一個燈珠的 Din 輸入訊號，Dout 輸出訊號；第一個燈珠 Dout 聯第二個燈珠的 Din；第二個燈珠的 Dout 聯第三個燈珠的 Din ……

我們都知道，RGB三個值，各為一個位元組，8位元，三個值合起來 24 位，所以每個燈珠的資料為24位元，3個 byte。對於每個二進位制位，WS28XX 是通過單週期內高電平的持續時間來判斷 0 或 1。

請看下面的高清無碼美圖。

上面這個就是 WS28XX 的時序圖。在一個脈衝週期內，如果：

高電平持續時間為 0.4 微秒，低電平持續時間為 0.85 微秒，那麼就是0；

高電平持續時間為 0.85 微秒，低電平持續時間為 0.4 微秒，那麼就是1。

故一個週期的總時長為 1.25 微秒，即頻率為 1000000 / 1.25 = 800 KHz，即 0.8 MHz。

請記住這個頻率，後面有用。

WS28XX的訊號是連續發的，中間不需要停頓；如果出現超過 50 微秒的低電平，那麼WS28XX會認為你的訊號傳送完畢。如果傳輸線上有資料來就會從第一個燈珠開始進行處理（等於更新整個燈帶的資料）。

例如，有四個燈珠串聯，每個燈的RGB有24位元，那麼，你需要向WS28XX連續傳送 24 * 4 = 96 位資料，資料傳送中不要停頓，所有資料都是連著發的—— 96位連續發，中間不用停頓；全部發完後再輸出50微秒左右的低電平表示結束傳送。

比如，紅色，RGB 是 255，0，0，那麼這24位元就是：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

如果有三個燈珠，第一個燈珠設定為綠色，第二個燈珠為白色，第三個燈珠為藍色，那麼三組RGB為：

【0，255，0】【255，255，255】【0，0，255】

於是，72位二進位制為：

0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 1111 1111

在傳送的時候，這72位是連續傳送的，中間不需要延時，發完後把電平拉低，50 us後WS28XX就會認為你已經發完資料。

正如你所看到的，WS28XX 的通訊協定比較簡單。但是，問題出在它的時間很短。你如果純手動寫程式碼來改變電平的高低，要求程式有很高的效能。低配的微控制器可能不夠快，像樹莓派這樣的開發板，雖然處理器肯定比微控制器快，但是程式碼傳遞到系統驅動，再由驅動傳到底層硬體。而且每次切換電平需要來回兩次通訊，花的時間太長，都有可能超出 1.25 us 的週期。

所以，一般不採取直接寫GPIO電平的方式通訊，而是藉助硬體上所支援的協定。能夠做這事的硬體協定有倆：

1、PWM。這個估計大家能理解，前面老周說要記住那個通訊頻率，現在用上了。把PWM頻率設為 800 KHz，然後一個週期的時長就是 1.25 us。最後你一定猜到了，傳送1時，高電平持續0.85 us，佔空比 68%；傳送0時，高電平持續0.4 us，佔空比 32%。於是呢，不斷地改變佔空比，就能給WS28XX發訊號。許多方案是和DMA一起使用的，就是為了提高速度。.NET Iot 封裝的 PWM 不支援 DMA 方式，因此這個方案跳過。

2、SPI，這個方案是目前最優秀方案。.NET Iot 封裝的庫也是採用 SPI 協定。這是個巧妙利用，將SPI的 MOSI 口與燈帶的 Din 連線，讓 SPI 時序來控制燈珠。

為啥不用 IIC （I2C）呢？因為 IIC 要從機地址啊，我們又不是真的使用 IIC 裝置，所以這裡不適合。根據官方的範例，使用SPI時要設定以下幾個引數：

a、速率 2400 KHz，正好是 800 K 的三倍。於是乎，SPI 中 3 個二進位制位對應WS28XX中 1 個二進位制位。要傳送 1 ，SPI 寫入二進位制 110；要傳送 0 ，SPI 寫入二進位制 100。一個燈珠的資料是3位元組24位元，那麼 SPI 就得寫入72位（9個位元組）。

b、SPI 模式選擇 Mode0。

c、資料長度為8位元。

因為樹莓派是支援硬體 SPI 的，所以 SPI 方案是沒有問題的。若開發板沒有硬體 SPI（靠軟體模擬），就不能使用SPI方案了，速度跟不上。

知道原理後，咱們可以動手做了。

第1步，參照 Iot.Device.Bindings 包（Nuget），依賴包 System.Device.Gpio 會自動引入，所以不用管它。

第2步，using 以下名稱空間：

using System.Device.Spi;
using System.Drawing;
using Iot.Device.Graphics;
using Iot.Device.Ws28xx;

第3步，初始化 SpiDevice 物件。

SpiConnectionSettings setting = new(0)
{
    Mode = SpiMode.Mode0,
    ClockFrequency = 2400_000,  //注意速率
    DataBitLength = 8
};
using SpiDevice spidev = SpiDevice.Create(setting);

把 ClockFrequency 設定為 2400,000 hz，原因前面解釋過。

第4步，老周買的燈帶是 WS2812B 晶片的，所以，範例化 WS28XX 時用 Ws2812b 類，大部分燈帶都是這個。

// 30表示使用30個燈珠，這個按實際來傳值，要用到50個燈珠，就傳50
const int LED_NUM = 30;
Ws28xx leds = new Ws2812b(spidev, LED_NUM);

老周現用來測試的燈帶是五米長的，150 個燈，但為了省電，只選擇了 30 個燈做實驗，你可以根據實際情況改程式碼。咱們這裡用的燈帶，所以只考慮寬度，高度忽略；如果用的是點陣屏，則要考慮高度，即幾行幾列。

第5步，準備七種常用顏色，待會咱們做色彩輪換效果。

Color[] colors =
{
    Color.Blue,         // 藍色
    Color.Yellow,       // 黃色
    Color.White,        // 白色
    Color.Red,          // 紅色
    Color.Green,        // 綠色
    Color.Pink,         // 粉色
    Color.Orange        // 橙色
};

第6步，色彩輪換，七種顏色輪著顯示。

// Color陣列中正在使用的索引
int theIndex = 0;
// 進入迴圈，開始溜燈
while (true)
{
    // 當表示索引的值超出陣列範圍後，重回0
    if (theIndex > colors.Length - 1)
    {
        theIndex = 0;
    }
    // 獲取點陣圖物件
    BitmapImage image = leds.Image;
    // 迴圈修改每個燈珠的顏色
    for (int x = 0; x < LED_NUM; x++)
    {
        // 更新畫素點（對應一個燈珠）
        image.SetPixel(x, 0, colors[theIndex]);
        // 呼叫更新，才會重新整理燈帶顯示
        leds.Update();
        Thread.Sleep(10);
    }
    theIndex++;
    Thread.Sleep(1000);
}

可以把一個燈珠視為一個畫素，先從 Image 屬性中獲得對 BitmapImage 物件的參照，然後用 SetPixel 方法來設定每個燈的顏色。這裡因為用的是燈帶，所以 y 座標都是 0，僅改變 x 座標上的值。

修改完顏色後，如果想燈珠馬上更新，請呼叫 Update 方法。

最後，強調一下：接線時，樹莓派的 MOSI 接燈帶的資料介面（Din 或 Di）。