使用DMA和PWM驱动16组WS2812 LED的STM32实现

STM32使用DMA和PWM来驱动16组WS2812 LED灯带。WS2812是一种智能控制LED，每个LED都需要24位数据（8位绿色，8位红色，8位蓝色），并且对时序要求非常严格。

硬件设计考虑

1. GPIO选择：选择16个可用的GPIO引脚，最好是同一GPIO端口的连续引脚，以便于控制
2. 定时器选择：需要至少一个高级定时器（如TIM1或TIM8）支持多通道PWM输出
3. DMA配置：使用DMA来高效传输PWM数据，减少CPU负载
4. 电源考虑：16组WS2812可能需要相当大的电流，确保电源供应充足

STM32CubeMX配置

1. 时钟配置

• 根据MCU型号配置系统时钟（建议72MHz或更高）
• 确保APB2定时器时钟足够高以产生精确的PWM信号

2. GPIO配置

选择16个GPIO引脚，配置为定时器PWM输出功能。

3. 定时器配置

配置一个高级定时器（如TIM1）：

• PWM模式
• 计数器周期：90（对应1.25µs周期，800kHz频率）
• PWM占空比：0码=30，1码=60（对应0.4µs和0.8µs高电平时间）
• 启用所有16个通道

4. DMA配置

为定时器的CCR寄存器配置DMA：

• 方向：内存到外设
• 数据宽度：半字或字（取决于CCR寄存器大小）
• 循环模式

代码实现

#include "main.h"
#include "string.h"// WS2812时序参数（基于72MHz系统时钟）
#define WS2812_TIM_PERIOD 90    // 1.25µs周期
#define WS2812_0_PULSE 30       // 0码高电平时间 0.4µs
#define WS2812_1_PULSE 60       // 1码高电平时间 0.8µs// LED数量配置
#define NUM_LEDS_PER_STRIP 16   // 每组LED数量
#define NUM_STRIPS 16           // 组数// 颜色结构体
typedef struct {uint8_t g, r, b;
} Color_t;// 全局变量
Color_t led_data[NUM_STRIPS][NUM_LEDS_PER_STRIP];
uint16_t pwm_data[NUM_STRIPS][24 * NUM_LEDS_PER_STRIP + 50]; // PWM缓冲区（每LED24位+额外复位时间）// 初始化函数
void WS2812_Init(void) {// 初始化LED数据（全部关闭）memset(led_data, 0, sizeof(led_data));// 初始化PWM数据（全部为0码）for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int i = 0; i < sizeof(pwm_data[0])/sizeof(pwm_data[0][0]); i++) {pwm_data[strip][i] = WS2812_0_PULSE;}}// 启动定时器和DMAHAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t*)pwm_data[0], sizeof(pwm_data[0])/sizeof(pwm_data[0][0]));// 启动其他通道的DMA...
}// 设置单个LED颜色
void WS2812_SetLED(int strip, int led_idx, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {if (strip >= NUM_STRIPS || led_idx >= NUM_LEDS_PER_STRIP) return;led_data[strip][led_idx].r = r;led_data[strip][led_idx].g = g;led_data[strip][led_idx].b = b;
}// 更新PWM缓冲区
void WS2812_UpdateBuffer(void) {for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {int pwm_index = 0;// 为每个LED生成PWM数据for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {Color_t color = led_data[strip][led];// 绿色分量（WS2812顺序是GRB）for (int i = 7; i >= 0; i--) {pwm_data[strip][pwm_index++] = ((color.g >> i) & 0x01) ? WS2812_1_PULSE : WS2812_0_PULSE;}// 红色分量for (int i = 7; i >= 0; i--) {pwm_data[strip][pwm_index++] = ((color.r >> i) & 0x01) ? WS2812_1_PULSE : WS2812_0_PULSE;}// 蓝色分量for (int i = 7; i >= 0; i--) {pwm_data[strip][pwm_index++] = ((color.b >> i) & 0x01) ? WS2812_1_PULSE : WS2812_0_PULSE;}}// 添加复位码（至少50µs的低电平）for (int i = 0; i < 50; i++) {pwm_data[strip][pwm_index++] = 0;}}
}// DMA传输完成回调
void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {// 可以在这里更新下一次传输的数据
}// 主循环中的示例使用
int main(void) {// HAL初始化等...WS2812_Init();while (1) {// 设置一些示例颜色for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {// 示例：彩虹效果uint8_t r = (strip * 16 + led * 8) % 256;uint8_t g = (strip * 16 + led * 8 + 85) % 256;uint8_t b = (strip * 16 + led * 8 + 170) % 256;WS2812_SetLED(strip, led, r, g, b);}}// 更新PWM缓冲区WS2812_UpdateBuffer();// 重启DMA传输for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {// 这里需要根据实际使用的定时器和DMA通道进行配置// HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t*)pwm_data[strip], sizeof(pwm_data[strip])/sizeof(pwm_data[strip][0]));}// 延时HAL_Delay(100);}
}

高级实现：使用位带操作优化性能

对于需要更高性能的应用，可以使用STM32的位带功能来同时更新所有16个通道：

// 使用位带操作同时控制16个通道
#define GPIOB_BITBAND ((__IO uint32_t*)0x42400000) // GPIOB位带别名区基地址void WS2812_SendBits(uint32_t bits) {// 使用位带操作同时设置所有16个引脚for (int i = 0; i < 16; i++) {if (bits & (1 << i)) {// 设置对应引脚为高电平GPIOB_BITBAND[i] = 1;} else {// 设置对应引脚为低电平GPIOB_BITBAND[i] = 0;}}
}// 精确时序的发送函数
void WS2812_SendData(void) {// 禁用中断以确保精确时序__disable_irq();for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {Color_t color = led_data[strip][led];uint32_t grb = (color.g << 16) | (color.r << 8) | color.b;// 发送24位数据for (int i = 23; i >= 0; i--) {if (grb & (1 << i)) {// 发送1码WS2812_SendBits(0xFFFF); // 所有引脚高delay_ns(800);           // 精确延时WS2812_SendBits(0x0000); // 所有引脚低delay_ns(450);           // 精确延时} else {// 发送0码WS2812_SendBits(0xFFFF); // 所有引脚高delay_ns(400);           // 精确延时WS2812_SendBits(0x0000); // 所有引脚低delay_ns(850);           // 精确延时}}}}// 发送复位码WS2812_SendBits(0x0000); // 所有引脚低delay_us(50);            // 50µs延时// 重新启用中断__enable_irq();
}

电源管理考虑

驱动16组WS2812需要相当大的电流，特别是当所有LED都设置为白色全亮时：

// 计算所需电流并实施保护
#define MAX_CURRENT_MA 5000 // 电源最大输出电流uint32_t WS2812_CalculateCurrent(void) {uint32_t total_current = 0;for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {Color_t color = led_data[strip][led];// 估算电流：每个LED最大60mA（白色全亮时）uint32_t led_current = (color.r + color.g + color.b) * 60 / 255;total_current += led_current;}}return total_current;
}// 电流限制功能
void WS2812_ApplyCurrentLimit(void) {uint32_t current = WS2812_CalculateCurrent();if (current > MAX_CURRENT_MA) {float scale = (float)MAX_CURRENT_MA / current;for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {led_data[strip][led].r *= scale;led_data[strip][led].g *= scale;led_data[strip][led].b *= scale;}}}
}

使用FreeRTOS的任务管理

如果使用FreeRTOS，可以创建专门的任务来处理LED控制：

// FreeRTOS任务函数
void WS2812_Task(void const *argument) {TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();while (1) {// 更新LED效果UpdateLEDEffects();// 应用电流限制WS2812_ApplyCurrentLimit();// 更新PWM缓冲区WS2812_UpdateBuffer();// 发送数据WS2812_SendData();// 精确延时vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, pdMS_TO_TICKS(20)); // 50Hz刷新率}
}

调试和测试

为了确保WS2812驱动正常工作，可以添加调试功能：

// 测试模式
void WS2812_TestPattern(void) {// 红色测试for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {WS2812_SetLED(strip, led, 255, 0, 0);}}WS2812_UpdateBuffer();WS2812_SendData();HAL_Delay(1000);// 绿色测试for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {WS2812_SetLED(strip, led, 0, 255, 0);}}WS2812_UpdateBuffer();WS2812_SendData();HAL_Delay(1000);// 蓝色测试for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {WS2812_SetLED(strip, led, 0, 0, 255);}}WS2812_UpdateBuffer();WS2812_SendData();HAL_Delay(1000);// 全部关闭for (int strip = 0; strip < NUM_STRIPS; strip++) {for (int led = 0; led < NUM_LEDS_PER_STRIP; led++) {WS2812_SetLED(strip, led, 0, 0, 0);}}WS2812_UpdateBuffer();WS2812_SendData();
}

参考代码 DMA PWM WS2812 GPIO输出16组 www.youwenfan.com/contentcnj/56131.html

这个实现方案提供了使用STM32的DMA和PWM功能驱动16组WS2812 LED的完整方法。根据具体的STM32型号和需求，可能需要进行一些调整。建议在实际应用前进行充分的测试，特别是时序方面的验证。