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.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX的實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022年04月05日 13:59:28 作者：老周

這篇文章主要為大家介紹了.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX的實(shí)現(xiàn)過程，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步早日升職加薪

彩色燈帶，相信不用老周多說，大家都知道，沒準(zhǔn)你家里的燈墻里面就有。老周的茅屋是早期建造的，所以沒有預(yù)留的燈槽，明燈的話是不好看的，因此老周家里沒使用燈帶。不過，像柜子后面，顯示器后面，書桌邊沿這些地方，可以貼彩色燈帶。書架上也貼了一些，因?yàn)槟莻€(gè)書架是圣誕樹形狀的，沒辦法一條燈帶貼完，只能把它剪開 N 段，測(cè)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接頭，不用焊接）。

買燈帶時(shí)老周沒有買驅(qū)動(dòng)器，畢竟一開始老周就計(jì)劃自己寫個(gè)程序來控制燈帶的色彩。裝飾用的燈帶，5V 電壓足矣。如果燈較多可以考慮獨(dú)立供電，5V電源比較方便好弄，手機(jī)充電頭、鋰電池+5V穩(wěn)壓板即可輕松解決。其實(shí)，兩米長(zhǎng)度內(nèi)直接用開發(fā)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(diǎn)不夠，亮度降低。

老周的臥室里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(wěn)壓模塊調(diào)到5V電壓）。主要是看中 ESP32有 WiFi 功能，上面寫個(gè) UDP 服務(wù)器，通過接收到的命令來切換燈帶顏色。

控制命令比較簡(jiǎn)單，全用文本格式，客戶端只要發(fā)送滿足格式要求的命令到 ESP32 即可。比如，發(fā)送

SET+255 125 127

首先識(shí)別出“SET+”，后面三個(gè)數(shù)值用空格分隔，依次表示 RGB 三個(gè)值。例如，讓燈變成藍(lán)色

SET+0 0 255

彩色燈帶使用 WS28XX 作為IC，常見的像 WS2812B。每個(gè)燈珠都可以單獨(dú)控制，燈帶剪開后只需要串聯(lián)好就行，燈帶末端不需要連接回路，WS28XX 自帶回路。

WS28XX 的時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，+5V 和 GND 是供電接口，剩下一根數(shù)據(jù)線來傳輸信號(hào)，所以這貨是單數(shù)據(jù)線控制的。當(dāng)N個(gè)燈珠串聯(lián)起來后，第一個(gè)燈珠的 Din 輸入信號(hào)，Dout 輸出信號(hào)；第一個(gè)燈珠 Dout 聯(lián)第二個(gè)燈珠的 Din；第二個(gè)燈珠的 Dout 聯(lián)第三個(gè)燈珠的 Din ……

我們都知道，RGB三個(gè)值，各為一個(gè)字節(jié)，8位，三個(gè)值合起來 24 位，所以每個(gè)燈珠的數(shù)據(jù)為24位，3個(gè) byte。對(duì)于每個(gè)二進(jìn)制位，WS28XX 是通過單周期內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間來判斷 0 或 1。

請(qǐng)看下面的高清無碼美圖。

上面這個(gè)就是 WS28XX 的時(shí)序圖。在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，如果：

高電平持續(xù)時(shí)間為 0.4 微秒，低電平持續(xù)時(shí)間為 0.85 微秒，那么就是0；

高電平持續(xù)時(shí)間為 0.85 微秒，低電平持續(xù)時(shí)間為 0.4 微秒，那么就是1。

故一個(gè)周期的總時(shí)長(zhǎng)為 1.25 微秒，即頻率為 1000000 / 1.25 = 800 KHz，即 0.8 MHz。

請(qǐng)記住這個(gè)頻率，后面有用。

WS28XX的信號(hào)是連續(xù)發(fā)的，中間不需要停頓；如果出現(xiàn)超過 50 微秒的低電平，那么WS28XX會(huì)認(rèn)為你的信號(hào)發(fā)送完畢。如果數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)來就會(huì)從第一個(gè)燈珠開始進(jìn)行處理（等于更新整個(gè)燈帶的數(shù)據(jù)）。

例如，有四個(gè)燈珠串聯(lián)，每個(gè)燈的RGB有24位，那么，你需要向WS28XX連續(xù)發(fā)送 24 * 4 = 96 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送中不要停頓，所有數(shù)據(jù)都是連著發(fā)的—— 96位連續(xù)發(fā)，中間不用停頓；全部發(fā)完后再輸出50微秒左右的低電平表示結(jié)束發(fā)送。

比如，紅色，RGB 是 255，0，0，那么這24位就是：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

如果有三個(gè)燈珠，第一個(gè)燈珠設(shè)置為綠色，第二個(gè)燈珠為白色，第三個(gè)燈珠為藍(lán)色，那么三組RGB為：

【0，255，0】【255，255，255】【0，0，255】

于是，72位二進(jìn)制為：

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

在發(fā)送的時(shí)候，這72位是連續(xù)發(fā)送的，中間不需要延時(shí)，發(fā)完后把電平拉低，50 us后WS28XX就會(huì)認(rèn)為你已經(jīng)發(fā)完數(shù)據(jù)。

正如你所看到的，WS28XX 的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單。但是，問題出在它的時(shí)間很短。你如果純手動(dòng)寫代碼來改變電平的高低，要求程序有很高的性能。低配的單片機(jī)可能不夠快，像樹莓派這樣的開發(fā)板，雖然處理器肯定比單片機(jī)快，但是代碼傳遞到系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，再由驅(qū)動(dòng)傳到底層硬件。而且每次切換電平需要來回兩次通信，花的時(shí)間太長(zhǎng)，都有可能超出 1.25 us 的周期。

所以，一般不采取直接寫GPIO電平的方式通信，而是借助硬件上所支持的協(xié)議。能夠做這事的硬件協(xié)議有倆：

1、PWM。這個(gè)估計(jì)大家能理解，前面老周說要記住那個(gè)通信頻率，現(xiàn)在用上了。把PWM頻率設(shè)為 800 KHz，然后一個(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)就是 1.25 us。最后你一定猜到了，發(fā)送1時(shí)，高電平持續(xù)0.85 us，占空比 68%；發(fā)送0時(shí)，高電平持續(xù)0.4 us，占空比 32%。于是呢，不斷地改變占空比，就能給WS28XX發(fā)信號(hào)。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 不支持 DMA 方式，因此這個(gè)方案跳過。

2、SPI，這個(gè)方案是目前最優(yōu)秀方案。.NET Iot 封裝的庫也是采用 SPI 協(xié)議。這是個(gè)巧妙利用，將SPI的 MOSI 口與燈帶的 Din 連接，讓 SPI 時(shí)序來控制燈珠。

為啥不用 IIC （I2C）呢？因?yàn)?IIC 要從機(jī)地址啊，我們又不是真的使用 IIC 設(shè)備，所以這里不適合。根據(jù)官方的示例，使用SPI時(shí)要設(shè)置以下幾個(gè)參數(shù)：

a、速率 2400 KHz，正好是 800 K 的三倍。于是乎，SPI 中 3 個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)WS28XX中 1 個(gè)二進(jìn)制位。要發(fā)送 1 ，SPI 寫入二進(jìn)制 110；要發(fā)送 0 ，SPI 寫入二進(jìn)制 100。一個(gè)燈珠的數(shù)據(jù)是3字節(jié)24位，那么 SPI 就得寫入72位（9個(gè)字節(jié)）。

b、SPI 模式選擇 Mode0。

c、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位。

因?yàn)闃漭墒侵С钟布?SPI 的，所以 SPI 方案是沒有問題的。若開發(fā)板沒有硬件 SPI（靠軟件模擬），就不能使用SPI方案了，速度跟不上。

知道原理后，咱們可以動(dòng)手做了。

第1步，引用 Iot.Device.Bindings 包（Nuget），依賴包 System.Device.Gpio 會(huì)自動(dòng)引入，所以不用管它。

第2步，using 以下命名空間：

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

第3步，初始化 SpiDevice 對(duì)象。

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(shè)置為 2400,000 hz，原因前面解釋過。

第4步，老周買的燈帶是 WS2812B 芯片的，所以，實(shí)例化 WS28XX 時(shí)用 Ws2812b 類，大部分燈帶都是這個(gè)。

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

老周現(xiàn)用來測(cè)試的燈帶是五米長(zhǎng)的，150 個(gè)燈，但為了省電，只選擇了 30 個(gè)燈做實(shí)驗(yàn)，你可以根據(jù)實(shí)際情況改代碼。咱們這里用的燈帶，所以只考慮寬度，高度忽略；如果用的是點(diǎn)陣屏，則要考慮高度，即幾行幾列。

第5步，準(zhǔn)備七種常用顏色，待會(huì)咱們做色彩輪換效果。

Color[] colors =
{
    Color.Blue,         // 藍(lán)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數(shù)組中正在使用的索引
int theIndex = 0;
// 進(jìn)入循環(huán)，開始溜燈
while (true)
{
    // 當(dāng)表示索引的值超出數(shù)組范圍后，重回0
    if (theIndex > colors.Length - 1)
    {
        theIndex = 0;
    }
    // 獲取位圖對(duì)象
    BitmapImage image = leds.Image;
    // 循環(huán)修改每個(gè)燈珠的顏色
    for (int x = 0; x < LED_NUM; x++)
    {
        // 更新像素點(diǎn)（對(duì)應(yīng)一個(gè)燈珠）
        image.SetPixel(x, 0, colors[theIndex]);
        // 調(diào)用更新，才會(huì)刷新燈帶顯示
        leds.Update();
        Thread.Sleep(10);
    }
    theIndex++;
    Thread.Sleep(1000);
}

可以把一個(gè)燈珠視為一個(gè)像素，先從 Image 屬性中獲得對(duì) BitmapImage 對(duì)象的引用，然后用 SetPixel 方法來設(shè)置每個(gè)燈的顏色。這里因?yàn)橛玫氖菬魩В?y 坐標(biāo)都是 0，僅改變 x 坐標(biāo)上的值。

修改完顏色后，如果想燈珠馬上更新，請(qǐng)調(diào)用 Update 方法。

最后，強(qiáng)調(diào)一下：接線時(shí)，樹莓派的 MOSI 接燈帶的數(shù)據(jù)接口（Din 或 Di）。