SK6812 炫彩灯珠控制

介绍

炫彩灯珠内置 IC，可以显示 $256\times256\times256$ 种颜色，仅凭一根信号线即可实现多种多样的效果

硬件电路

根据 SK6812 的电气参数和手册上的典型应用电路来设计其硬件电路

参数	符号	范围	单位
电压	VDD	+3.7~+5.5	V
逻辑输入电压	VI	-0.5~VDD+0.5	V
工作温度	Topt	-40~+85	℃
储存温度	Tstg	-40~+85	℃
ESD耐压（设备模式）	VESD	200	V
ESD耐压（人体模式）	VESD	2K	V

控制方式

SK6812 的数据传输方式比起一般的外设来说，有点特别，每个位都是一个码元，然后通过控制码元的高低电平时间来控制该位的高低

时序表名称	min	typic	max	单位
T	1.20	-	-	us
T0H	0.2	0.3	0.4	us
T0L	0.8	-	-	us
T1H	0.6	0.67	1.0	us
T1L	0.2	-	-	us
Trst	$\geq80$	-	-	us

协议中每个码元都必须有低电平，每个码元起始为高电平，高电平时间宽度决定了该码元是 0 码还是 1 码，每个码元周期最小为 1.2us，具体的传输方式如下图所示

GPIO 翻转

GPIO 可以通过计算系统主频来计算出单条指令的时间，从而实现纳秒级硬延时。例如对于 AT32F403，设置单片机运行主频为 240MHz，所以它单条指令所需要的时间为 $\frac{1}{240M}=4.167ns$ 。根据上述分析，设置码元时间为 $1.2us$ ，则 0 码的高电平持续时间为 $0.3us$ ，低电平持续时间为 $0.9us$ ，而 1 码的高电平持续时间为 $0.6us$ ，低电平持续时间为 $0.6us$

一般可以利用 __nop() 指令，单条 __nop() 指令所需要的时间是 $4.167ns$ ，所以可以利用 $72$ 条指令来模拟延时 $0.3us$ ，对应的代码如下

// clang-format off
uint8_t color_data_list[4][] = {
  0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00
};
// clang-format on

void delay_30us() {
	__nop();
	...
	__nop();
	// 72 个 __nop();
}

void sk_init() {
  wk_dma_channel_config(DMA1_CHANNEL1, (uint32_t) &SPI2->dt, (uint32_t) color_data_list, 96);
}

static void set_color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  color_data_list[0][0] = color_data_list[1][0] = color_data_list[2][0] = color_data_list[3][0] = g;
  color_data_list[0][1] = color_data_list[1][1] = color_data_list[2][1] = color_data_list[3][1] = r;
  color_data_list[0][2] = color_data_list[1][2] = color_data_list[2][2] = color_data_list[3][2] = b;
}

static void set_high_level() {
	gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_13);
	delay_30us();
	delay_30us();
	gpio_bits_reset(GPIOB, GPIO_PINS_13);
	delay_30us();
	delay_30us();
}

static void set_low_level() {
	gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_13);
	delay_30us();
	gpio_bits_reset(GPIOB, GPIO_PINS_13);
	delay_30us();
	delay_30us();
	delay_30us();
}

static void send_color() {
	for(int i = 0; i < 12; ++i)
		for(int j = 7; j >= 0; --j) {
			if(color_data_list[i] & (0x01 << j)) set_high_level();
			else set_low_level();
		}
}

PWM+DMA

根据上述中每个码元的时间为 $1.2us$ ，因此可以设置 PWM 的周期为 $1.25us$ 即频率为 $800KHz$，通知通过控制重装载值即可控制高低电平的时间，从而实现码元输出。由于 AT32F403 时钟的主频为 $240MHz$ ，因此可以设置预分频值为 2 ，设置周期值为 99 即可。由于 PWM 的输出，当计数值小于比较值时，输出低电平，由于码元需要是高电平在前，所以设置 PWM 计数方式为向下计数

设置 0 码元和 1 码元的高低电平占比

0 码元： $0.3us$ 高电平， $0.95us$ 低电平，设置比较值为 76
1 码元： $0.65us$ 高电平， $0.6us$ 低电平，设置比较值为 50

另外打开该通道的 DMA，传输方向设置为从内存到外设，代码实现如下

#define HIGH_LEVEL 76
#define LOW_LEVEL 50

// clang-format off
uint8_t color_data_list[4][24] = {
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};
// clang-format on

void sk_init() {
  wk_dma_channel_config(DMA1_CHANNEL2, (uint32_t) &TMR3->c1dt, (uint32_t) color_data_list, 96);
}

static void set_color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  uint32_t grb = (g << 16) | (r << 8) | b;
  uint32_t mask = 0x01 << 23;
  uint8_t  i;
  for (i = 0; i < 24; ++i) color_data_list[0][i] = color_data_list[1][i] = color_data_list[2][i] = color_data_list[3][i] = ((grb & (mask >> i)) ? HIGH_LEVEL : LOW_LEVEL);
}

static void send_color() {
  dma_channel_enable(DMA1_CHANNEL2, TRUE);

  while (dma_flag_get(DMA1_FDT2_FLAG) == RESET);
  dma_flag_clear(DMA1_FDT2_FLAG);

  dma_channel_enable(DMA1_CHANNEL2, FALSE);
}

SPI+DMA

由上述所述，可知每个码元的持续时间大概在 $1.2\sim\infty us$ 之间，为了传输的效率，此处要选择尽量小的周期。使用 SPI 控制时，可以通过发送 8 bits 数据来控制，可以利用单个 8 bit 数据所形成的波形来分别表示 0 码和 1 码

0 码：前 2 个比特为高电平，后 6 个比特为低电平，因此发送的数据应当是 0b11000000
1 码：前 5 个比特为高电平，后 3 个比特为低电平，因此发送的数据为 0b11111000

假设 SPI 的频率为 $x MHz$ （也就是发送一个比特位的频率），则可以调整 $x$ 的大小，使得 SPI 能在 $1.2us\sim\infty$ 之间发送一个字节，计算可得 $x\leq6.67MHz$ ，所以在设置 SPI 时就不能设置的主频过高，而且需要注意设置 SPI 的帧位个数为 8 位，且高位先传输（MSB First）。对应的代码如下

#define HIGH_LEVEL 0xf8
#define LOW_LEVEL 0xc0
// 上述的写作 16 进制是由于 KEIL 的 C 编译器不支持直接写二进制 0b11111000 0b11000000，也可以写作 Bin(0b11111000) Bin(0b11000000)

// clang-format off
uint8_t color_data_list[4][] = {
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};
// clang-format on

void sk_init() {
  wk_dma_channel_config(DMA1_CHANNEL1, (uint32_t) &SPI2->dt, (uint32_t) color_data_list, 96);
}

static void set_color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  uint32_t grb = (g << 16) | (r << 8) | b;
  uint32_t mask = 0x01 << 23;
  uint8_t  i;
  for (i = 0; i < 24; ++i) color_data_list[0][i] = color_data_list[1][i] = color_data_list[2][i] = color_data_list[3][i] = (grb & (mask >> i)) ? HIGH_LEVEL : LOW_LEVEL;
}

static void send_color() {
  spi_i2s_dma_transmitter_enable(SPI2, TRUE);
  dma_channel_enable(DMA1_CHANNEL1, TRUE);

  while (dma_flag_get(DMA1_FDT1_FLAG) == RESET);
  dma_flag_clear(DMA1_FDT1_FLAG);

  dma_channel_enable(DMA1_CHANNEL1, FALSE);
  spi_i2s_dma_transmitter_enable(SPI2, FALSE);
}

进阶控制方式——呼吸灯

SK6812 可以通过控制 RGB 三色值来控制彩灯的颜色，当然还可以通过控制颜色空间 HSV，再转换为 RGB 来控制颜色空间

RGB 转 HSV

$max=\max(r,g,b)\\min=\min(r,g,b)\\h=\left\{\begin{aligned}&0^\circ&&max=min\\&60^\circ\times\frac{g-b}{max-min}+0^\circ&&max=r\quad g\geq b\\&60^\circ\times\frac{g-b}{max-min}+360^\circ&&max=r\quad g< b\\&60^\circ\times\frac{b-r}{max-min}+120^\circ&&max=g\\&60^\circ\times\frac{r-g}{max-min}+240^\circ&&max=b\end{aligned}\right.\\s=\left\{\begin{aligned}&0^\circ&&max=0\\&\frac{max-min}{max}\end{aligned}\right.\\v=max$

代码实现

static void rgb_to_hsv(float* h, float* s, float* v, uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  uint8_t max = (r > g) ? (r > b ? r : b) : (g > b ? g : b);
  uint8_t min = (r < g) ? (r < b ? r : b) : (g < b ? g : b);
  float   tmp = max - min;
  *v = max;
  if (max == 0) *s = 0;
  else *s = tmp / max;
  if (max == min) *h = 0;
  else if (max == r && g >= b) *h = 60.f * (g - b) / tmp;
  else if (max == r && g < b) *h = 60.f * (g - b) / tmp + 360;
  else if (max == g) *h = 60.f * (b - r) / tmp + 120;
  else if (max == b) *h = 60.f * (r - g) / tmp + 240;
}

HSV 转 RGB

$c=v\times s\\x=c\times(1-\vert\mod(\frac{h}{60^\circ},2)-1\vert)\\m=v-c\\(r^\prime,g^\prime,b^\prime)=\left\{\begin{aligned}&(c,x,0)&&0^\circ\leq h<60^\circ\\&(x,c,0)&&60^\circ\leq h<120^\circ\\&(0,c,0)&&120^\circ\leq h<180^\circ\\&(0,x,c)&&180^\circ\leq h<240^\circ\\&(x,0,c)&&240^\circ\leq h<300^\circ\\&(c,0,x)&&300^\circ\leq h<360^\circ\end{aligned}\right.\\(r,g,b)=((r^\prime+m)\times255),(g^\prime+m)\times255),(b^\prime+m)\times255))$

代码实现

static void hsv_to_rgb(float h, float s, float v, uint8_t* r, uint8_t* g, uint8_t* b) {
  float c, tmp, x, m, r_, g_, b_;
  c = v * s;
  tmp = h / 60 - 1;
  x = c * (1 - (int) tmp % 2);
  m = v - c;
  if (h < 60) {
    r_ = c;
    g_ = x;
    b_ = 0;
  } else if (h < 120) {
    r_ = x;
    g_ = c;
    b_ = 0;
  } else if (h < 180) {
    r_ = 0;
    g_ = c;
    b_ = x;
  } else if (h < 240) {
    r_ = 0;
    g_ = x;
    b_ = c;
  } else if (h < 300) {
    r_ = x;
    g_ = 0;
    b_ = c;
  } else {
    r_ = c;
    g_ = 0;
    b_ = x;
  }
  *r = (r_ + m) * 255;
  *g = (g_ + m) * 255;
  *b = (b_ + m) * 255;
}

一个示例代码

void func() {
  float   h, s, v;
  uint8_t r, g, b;
  h = 0;
  for (;;) {
    h = fmod(h + 2, 360);
    v = 0;
    while (v < 1) {
      v += 0.01f;
      hsv_to_rgb(h, s, v, &r, &g, &b);
      set_color(r, g, b);
      send_color();
      vTaskDelay(1);
    }
    while (v > 0) {
      v -= 0.01f;
      hsv_to_rgb(h, s, v, &r, &g, &b);
      set_color(r, g, b);
      send_color();
      vTaskDelay(1);
    }
  }
}