零知开源——使用 GPIO 模拟时序驱动 WS2812B LED 灯带

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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

1. // WS2812B相关定义
   
2. #define WS2812B_PIN 51      // WS2812B数据引脚
   
3. #define NUM_LEDS 8          // 灯珠数量
   
4. #define MAX_BRIGHTNESS 0.5  // 全局亮度调节（范围：0.0 - 1.0）
   
5. 
   
6. // WS2812B控制协议时间（根据各自的时序进行修改该定义）
   
7. #define T1H 800
   
8. #define T1L 450
   
9. #define T0H 400
   
10. #define T0L 850
    
11. 
    
12. // 初始化WS2812B引脚
    
13. void setupWS2812B() {
    
14.     pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
    
15.     digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
    
16. }
    
17. 
    
18. // 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）
    
19. // 假设使用了支持纳秒级延时的定时器库
    
20. // 这里暂时使用简单的微秒级延时近似
    
21. void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
    
22.     delayMicroseconds(ns / 1000);
    
23. }

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2、控制颜色和发送相关数据

1. ?// 发送一个比特
   
2. void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
   
3.     if (bitVal) {
   
4.         // 发送逻辑1
   
5.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
   
6.         delayNanoseconds(T1H);
   
7.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
   
8.         delayNanoseconds(T1L);
   
9.     } else {
   
10.         // 发送逻辑0
    
11.         digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
    
12.         delayNanoseconds(T0H);
    
13.         digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
    
14.         delayNanoseconds(T0L);
    
15.     }
    
16. }
    
17. 
    
18. // 发送一个字节
    
19. void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
    
20.     for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    
21.         WS2812B_SendBit(byte & (1 << i));
    
22.     }
    
23. }
    
24. 
    
25. // 发送RGB颜色数据（带亮度调节）
    
26. void WS2812B_SendColor(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    
27.     // 应用全局亮度调节
    
28.     red = (uint8_t)(red * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    
29.     green = (uint8_t)(green * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    
30.     blue = (uint8_t)(blue * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    
31. 
    
32.     // WS2812B协议发送顺序：G -> R -> B
    
33.     WS2812B_SendByte(green);
    
34.     WS2812B_SendByte(red);
    
35.     WS2812B_SendByte(blue);
    
36. }

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3、实现流水灯、呼吸灯等功能

1. ?// 效果：彩虹追逐
   
2. void rainbowChaseEffect(uint8_t wait) {
   
3.     for (int offset = 0; offset < 255; offset++) {
   
4.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
   
5.             int hue = (i * 255 / NUM_LEDS + offset) % 255;
   
6.             uint8_t r = 0, g = 0, b = 0;
   
7.             if (hue < 85) {
   
8.                 r = 255 - hue * 3;
   
9.                 g = hue * 3;
   
10.                 b = 0;
    
11.             } else if (hue < 170) {
    
12.                 hue -= 85;
    
13.                 r = 0;
    
14.                 g = 255 - hue * 3;
    
15.                 b = hue * 3;
    
16.             } else {
    
17.                 hue -= 170;
    
18.                 r = hue * 3;
    
19.                 g = 0;
    
20.                 b = 255 - hue * 3;
    
21.             }
    
22.             WS2812B_SendColor(r, g, b, MAX_BRIGHTNESS);
    
23.         }
    
24.         delay(wait);
    
25.     }
    
26. }
    
27. 
    
28. // 呼吸灯效果
    
29. void breathAndFlow(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t steps, uint16_t period, uint8_t wait, uint8_t iterations) {
    
30.     int ledStep[NUM_LEDS]; // 为每个 LED 创建一个步骤计数器
    
31.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    
32.         ledStep[i] = 0; // 初始化每个LED的步进
    
33.     }
    
34. 
    
35.     uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循环计数器
    
36. 
    
37.     while (cycleCounter < iterations) { // 有限循环，迭代指定次数
    
38.         for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    
39.             // 计算当前 LED 的亮度比例
    
40.             float brightness = (sin(ledStep[i] * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
    
41.             WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用计算出的亮度
    
42. 
    
43.             // 更新 LED 的步骤计数器，模拟呼吸效果
    
44.             ledStep[i] = (ledStep[i] + 1) % (steps * 2); // 确保计数器在达到两倍步骤后重置
    
45. 
    
46.             // 计算每个步骤的时间间隔
    
47.             delayMicroseconds(period / steps);
    
48.         }
    
49.       
    
50.         // 在一轮呼吸之后关闭所有灯
    
51.         clearAllLeds();
    
52. 
    
53.         // 增加循环计数器
    
54.         cycleCounter++;
    
55. 
    
56.         // 根据需要添加延迟，虽然这不是必须的
    
57.         delay(wait);
    
58.     }
    
59. }
    
60. 
    
61. // 增加一个状态变量来记录是否有颜色覆盖
    
62. bool isCovered = false;
    
63. 
    
64. // 流水灯
    
65. void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
    
66.     // 特殊处理第一个灯
    
67.     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    
68.     // 从第二个灯开始的索引为1
    
69.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    
70.         for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
    
71.             if (i - j == 0) {
    
72.                 if (!isCovered) {
    
73.                     // 如果没有被覆盖，设置为绿色
    
74.                     WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS);
    
75.                 } else {
    
76.                     WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    
77.                 }
    
78.             } else {
    
79.                 WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS * trailDecay / 255.0);
    
80.             }
    
81.         }
    
82.         if (i == NUM_LEDS - 1) {
    
83.             // 当到达最后一个灯时，标记为已覆盖
    
84.             isCovered = true;
    
85.         }
    
86.         delay(wait);
    
87.     }
    
88. }

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4、控制灯的状态

1. ?// 设置特定位置灯珠颜色
   
2. void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
   
3.     if (pos < NUM_LEDS) {
   
4.         // 只发送前面灯珠的关闭信号，直到要设置颜色的灯珠位置
   
5.         for (int i = 0; i < pos; i++) {
   
6.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
   
7.         }
   
8.         // 设置目标灯珠颜色
   
9.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
   
10.         // 发送后面灯珠的关闭信号，从目标灯珠的下一个位置开始
    
11.         for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
    
12.             WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
    
13.         }
    
14.     }
    
15. }
    
16. 
    
17. // 设置所有灯珠颜色
    
18. void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    
19.     clearAllLeds();// 先清除所有灯珠，确保没有杂色
    
20.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    
21.         WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
    
22.     }
    
23. }
    
24. 
    
25. // 清除所有灯珠
    
26. void clearAllLeds() {
    
27.     for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
    
28.         WS2812B_SendByte(0);
    
29.     }
    
30. }

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5、主循环

1. ?// 初始化
   
2. void setup() {
   
3.     setupWS2812B();
   
4.     clearAllLeds();  // 确保灯带初始状态关闭
   
5. }
   
6. 
   
7. // 主循环
   
8. void loop() {
   
9.     uint8_t Count = 0;
   
10.     //clearAllLeds();
    
11.     // 设置第六个灯珠为蓝色
    
12.     //setLedColor(5, 0, 0, 255, MAX_BRIGHTNESS);
    
13.     //delay(500);
    
14.     while(Count < 10)
    
15.     {
    
16.       ShampEffect(0, 0, random(255), 256, 200);
    
17.       Count ++;
    
18.     }
    
19.    
    
20.     //rainbowChaseEffect(1000);
    
21.     breathAndFlow(0,255,0,5,50,100,100);
    
22. }

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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