[嵌入式]DMA+PWM驱动彩色RGB灯

前言

现在带IC的彩灯虽然有 SK6812 、WS2812 等不同信号，但是其控制逻辑基本是完全兼容的，本文所描述相关控制参数来源于 SK6812 ,原于带 IC 芯片的 RGB 可以通过串联来实现数据的传输，使得其在PCB布线时变得更为简单。

SK6812 时序

驱动方案

在此不难看出 RGB 灯的时序并不复杂，在此主要有以下几种驱动方式可供参考。

• 直接用 GPIO 反转，利用延时模拟时序
  • 相对比较简单。
  • 由于有延时函数存在及其浪费MCU运行资源。
• 利用 DMA + SPI 模拟时序
  • 配置好之后驱动基本交给硬件处理了，由DMA进行数据搬运。
  • MCU 只需要进行颜色相关的逻辑处理，可以最大程度节省 MCU 运行资源。
• 利用 DMA + TIM 方式模拟时序
  • 配置相对比较复杂，配置好之后驱动基本交给硬件处理，由 DMA 进行数据搬运。
  • MCU 只需要进行颜色相关的逻辑处理，可以最大程度节省 MCU 运行资源。
• 方案对比
  • 显然第一种方案是不可取的，于是需要在第二和第三种方案进行一个取舍，这个就主要看各位的 MCU 硬件接口资源了,一般而言 SPI 接口更少( SPI 可以接很多的模块以及驱动屏幕等等)，定时器 TIM 更多，同时一个定时器 TIM 最多可以控制四条灯带，因此个人感觉使用DMA+TIM 方案会更加节省硬件资源。

STM32 CubeMx 配置 DMA + PWM

在 LLQ-82 这一款机械键盘中有80颗 RGB 灯，在此将灯分为了三组以节省总的刷新时间

• 如果按80颗灯进行串联控制，刷新周期至少大于 1.2us*80*24+80us = 2.384ms 。
• 如果把80颗灯分成三组，其中最多的一组分28个(为方便键盘布局和控制)则刷新周期至少应大于
  1.2us*80*24+80us = 0.906ms 。
• 如此可以提高 RGB 灯的刷新频率。

开始具体配置

在考虑余量的情况下进行配置

1. 考虑稳定性我们将单个 bit 数据的时间控制为 1.25us 而不是最小的 1.2us ,以提升硬件上升和下降沿一定容错空间，如果硬件布局较差，走线较长可以适当加长。
2. 时钟频率为 84Mhz ，在此预分频设置为0即不分频，重装载值设置为105。
3. T0H 不妨设置比较值 27 则0码高电平持续时间为 1.25us*(27/105)=0.3214us 。
4. T1H 不妨设置比较值 60 则1码高电平持续时间为 1.25us*(60/105) = 0.7142us 。
5. 如下定时器配置。
   
6. 如下PWM配置。
   
7. 把能关的中断关了，不需要定时器中断。
   
8. 生成程序。
9. 在初始化最后关闭不必要的DMA中断，避免资源 MCU 运行资源浪费。

// 关闭DMA半传输中断
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_spi1_tx, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_tim4_ch1, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_tim4_ch2, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_tim4_ch3, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_rx, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_tx, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart3_rx, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart3_tx, DMA_IT_HT);

10. 定义宏定义和变量。

#define BSP_WS2812_TERO 27  
#define BSP_WS2812_ONE_ 68

#define BSP_WS2812_MAX_NUM 28 //每组定时器通道下的RGB灯数量
#define BSP_WS2812_R_OFFSET 1 //红色偏移量
#define BSP_WS2812_G_OFFSET 2 //绿色偏移量
#define BSP_WS2812_B_OFFSET 0 //蓝色偏移量

// TIM 中设置传输 bit 数据耗时 1.25us
#define BSP_WS2812_RGB_BITS_NUM     3*8
// 附加4个灯的时长，所有BIT设置为0码，进行复位逻辑 4*1.25*24 = 120us
#define BSP_WS2812_RGB_DATA_LEN     (BSP_WS2812_MAX_NUM+4) 
#define BSP_WS2812_RGB_DMA_NUM      (BSP_WS2812_RGB_BITS_NUM*BSP_WS2812_RGB_DATA_LEN)  
#define BSP_WS2812_KEYBOARD_NUM     80

typedef union
{
	uint32_t color_u32;
	uint8_t color_u8[4];
} bsp_color_struct;

// 颜色设置
bsp_color_struct keyboard_color[3][BSP_WS2812_MAX_NUM];
// pwm 占空比数值为uint16_t 类型，DMA传输时只能以半字输出，pixelBuffer应为uint16_t 类型 
static uint16_t timCh1DmaBuffer[BSP_WS2812_RGB_DATA_LEN][3*8];
static uint16_t timCh2DmaBuffer[BSP_WS2812_RGB_DATA_LEN][3*8];
static uint16_t timCh3DmaBuffer[BSP_WS2812_RGB_DATA_LEN][3*8];

11. 设置每个灯的颜色。

board_rgb[k].color.color_u8[BSP_WS2812_R_OFFSET] = (uint8_t)r;
board_rgb[k].color.color_u8[BSP_WS2812_G_OFFSET] = (uint8_t)g;
board_rgb[k].color.color_u8[BSP_WS2812_B_OFFSET] = (uint8_t)b;

12. 数据转换成 DMA buffer 需要的格式，即可自动更新。

// 更新DMA缓冲区数据内容
for(n=0; n< BSP_WS2812_MAX_NUM; n++)
{
	for(i = 0; i < 3*8; ++i)
	{
		timCh1DmaBuffer[n][i] = ((keyboard_color[0][i].color_u32<< i) & 0x800000) ? BSP_WS2812_ONE_ : BSP_WS2812_TERO;
		timCh2DmaBuffer[n][i] = ((keyboard_color[1][i].color_u32<< i) & 0x800000) ? BSP_WS2812_ONE_ : BSP_WS2812_TERO;
		timCh3DmaBuffer[n][i] = ((keyboard_color[2][i].color_u32<< i) & 0x800000) ? BSP_WS2812_ONE_ : BSP_WS2812_TERO;
	}
}

13. 确认配置好之后，在合适的位置加入启动程序(相关初始化程序完成之后)，由于 DMA 模式配置为了 Circular 模式（循环传输模式），故只需要调用一次启动 DMA 传输即可。

// 启动DMA传输
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim4, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t *)timCh1DmaBuffer, BSP_WS2812_RGB_DMA_NUM);
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim4, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t *)timCh2DmaBuffer, BSP_WS2812_RGB_DMA_NUM);
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim4, TIM_CHANNEL_3, (uint32_t *)timCh3DmaBuffer, BSP_WS2812_RGB_DMA_NUM);

DMA+PWM驱动彩色RGB灯