这是迷你系列的 第 3 部分 。在第 2 部分中，我描述了如何设置开发工具和调试第一个项目（参见“ 教程：Adafruit WS2812B NeoPixels 与 Freescale FRDM-K64F 板 - 第 2 部分：软件工具 ”）。现在是研究软件概念的时候了。目标是使用 Freescale FRDM-K64F 板驱动 Adafruit 的 NeoPixel (WS2812B)：

Adafruit 8×8 NeoPixel Shield 与 Freescale FRDM-K64F 板

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大纲

本文介绍了与 WS2812B（或 Adafruit NeoPixel）LED 对话的协议和时序。它解释了一种使用定时器和 DMA 来满足硬件要求的方法。我将 GNU ARM Embedded（launchpad）工具与基于 Eclipse 的 IDE（Freescale Kinetis Design Studio v3.0.0）一起使用。作为软件驱动程序，我使用的是 Freescale Kinetis SDK v1.2。

WS2812 链接

WS2812(B) LED 具有带移位寄存器的内置电流驱动器：将数据写入移位寄存器将锁存位，恒流驱动器将电流“驱动”到 LED 的红色、绿色和蓝色部分引领。

数据写入单线（DIN 引脚）链中的第一个 WS2812。第一个设备将“保留”前 24 位，其他所有内容都移出到 DOUT 引脚。因此，为了向 2 个 LED 提供数据，我移动了 2x24 位：前 24 位用于链中的第一个设备，接下来的 24 位用于链中的下一个设备，依此类推。

WS2812 LED链（来源： https://cpldcpu.wordpress.com/2014/01/14/light_ws2812-library-v2-0-part-i-understanding-the-ws2812/ ）

WS2812颜色信息

每个 LED 需要 24 位，用 8 位编码绿色、红色和蓝色。所以是GRB，不是RGB！每个颜色 8bit 决定该颜色的亮度，从 0x00（关闭）到 0xff（全亮度）。这些位首先发送 MSB（最高有效位）。

要以全亮度打开 LED 的红色部分，同时关闭蓝色和绿色，我必须发送以下位：


 0 0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1  0 0 0 0 0 0 0 0

要让所有 (GRB) LED 的亮度减半，我发送


 0 0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1  0 0 0 0 0 0 0 0

WS2812时序

WS2812/B 需要这些位的特殊时序。我强烈推荐阅读 Tim 关于 WS2812 时序的文章（“ Light_WS2812 library V2.0 – Part I: Understanding the WS2812 ”）：

WS2812时序（来源： https://cpldcpu.wordpress.com/2014/01/14/light_ws2812-library-v2-0-part-i-understanding-the-ws2812/ ）

WS2812B 是永远不变的，并且时序略有不同。较新的 Adafruit NeoPixels 都是 WS2812B。由于时序有一些公差，我使用以下“0”和“1”位的时序来驱动它：

WS2812B时序

生成比特流

有几种可能的方式来生成这样的比特流。一种方法是使用具有 Bit-Banging 的 GPIO（通用 I/O）引脚（通过正常的 GPIO 端口操作切换输出引脚）：


 0 0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1  0 0 0 0 0 0 0 0

一个甚至改进的版本是避免检查位：


 0 0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1  0 0 0 0 0 0 0 0

写入端口位以生成信号

现在将所有位放入一个数组中，然后像这样将其流出：


 0 0 0 0 0 0 0 0  1 1 1 1 1 1 1 1  0 0 0 0 0 0 0 0

但是信号频率是800 kHz！所以 Bit-Banging 不会工作，除非你使用手工制作的汇编代码来达到速度和时间。此外，我还必须禁用中断，因为任何中断也会搞砸时间！关闭一些 LED 的中断会起作用，但 LED 链越长，中断必须关闭的时间就越长。绝对不够好。

使用定时器

与其在循环中完成所有事情，为什么不使用定时器中断呢？基本上设置三个定时器中断，每个中断以 800 kHz 的频率触发，并且定时偏移以匹配 WS2812 定时。所以我可以使用一个定时器和三个通道：在相应的中断中，我可以写入 DATA 以生成位时序：

使用定时器中断驱动位

现在这比在循环中做事要好得多。这仍然意味着中断以 3×800 kHz 的频率发生，或者每 ~0.35 µs 发生一次中断！哎呀！我的系统几乎一直忙于中断：对于每个中断，CPU 都需要堆栈寄存器，将连接更改为中断服务例程，在例程中对 DATA 寄存器执行操作并返回原来的语境。很多操作！

使用 DMA

因此，如果切换一个引脚太慢，使用中断会产生太多中断，为什么不找到一种让它更快的方法呢？对此的解决方案是 DMA（直接内存访问） 。 DMA 允许在不使用 CPU 的情况下进行 todo 操作。 DMA 允许我读/写内存（以及更多），就像一种协处理器。

我还在用那个定时器。但是我会在后台触发“直接内存操作”，而不是触发中断，要求将我的数据直接写入（内存映射的）DATA 寄存器：

使用 DMA 驱动位

这样操作就可以在后台进行，无需 CPU 参与 :-) 。好消息是：许多现代微控制器都具有 DMA 功能，并且 FRDM-K64F 板上的 Kinetis K64F 也具有它 :-) 。

概括

在这篇文章中，我解释了生成正确的比特流以驱动 WS2812B NeoPixels 背后的概念。由于信号是高频信号，我必须使用带 DMA 的定时器，否则 CPU 会负载过多。

在下一篇文章中，我将使用 Kinetis SDK 实现定时器。敬请期待……

链接

了解WS2812和WS2812B的时序： https://cpldcpu.wordpress.com/2014/01/14/light_ws2812-library-v2-0-part-i-understanding-the-ws2812/
NeoPixels 上的 Adafruit 指南： https ://learn.adafruit.com/adafruit-neopixel-uberguide/overview
Freescale Freedom FRDM-K64F 开发板： http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp ?code=FRDM-K64F
飞思卡尔 Kinetis 设计工作室： http://www.freescale.com/kds
飞思卡尔 Kinetis SDK： http://www.freescale.com/kds

Adafruit WS2812B NeoPixels 与 Freescale FRDM-K64F 板