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1、前言
事情是这样的，前段时间，写了一个基于RK356x/RK3588的WS2812驱动，实验发现，单独点亮RGB灯倒是没什么问题。但点灯只是第一步，因为后面还要做呼吸灯，所以又经过实验发现，在基于此驱动实现的呼吸灯应用效果差强人意，过程中会频繁出现灯灭和颜色误识别的情况。为什么呢？在之前的驱动里，是利用了程序执行的延时来完成码0和码1的传输，加上呼吸灯需要对WS2812频繁操作，所以容易出现不稳定的情况。
失败的效果如下（四个颜色呼吸渐变）：
2、结果展示
再看SPI方式驱动的WS2812呼吸灯效果（四个颜色呼吸渐变）：
3、接线
SPI控制器的DO接到WS2812的IN
4、SPI驱动WS2812原理
需要确定三个参数：0码要发送的字节、1码要发送的字节、SPI时钟频率
4.1、0码要发送的字节
0码的高电平(T0H)时间需要控制在220ns ~ 380ns，低电平(T0L)时间需要控制在580ns ~ 1.6us。
这里T0H取300ns，T0L取700ns，加起来刚好凑整1us的周期，T0H占30%，T0L占70%。
现在利用各自的占比来确认要发送的8个bit：
T0H所占的bit：(30% / 100%) * 8 = 2.4bit≈2bit
T0L所占的bit：(70% / 100%) * 8 = 5.6bit≈6bit
所以0码使用11000000(0xC0)表示。最后SPI发送0xC0就会先拉高300ns，拉低700ns（这是设想，要确定SPI时钟频率后才能真正实现）。
4.2、1码要发送的字节
1码的高电平(T1H)时间需要控制在580ns ~ 1.6us，低电平(T1L)时间需要控制在220ns ~ 420ns。
这里T1H取700ns，T1L取300ns，加起来刚好凑整1us的周期，T1H占70%，T1L占30%。
现在利用各自的占比来确认要发送的8个bit：
T1H所占的bit：(70% / 100%) * 8 = 5.6bit≈6bit
T1L所占的bit：(30% / 100%) * 8 = 2.4bit≈2bit
所以1码使用11111100(0xFC)表示。最后SPI发送0xFC就会先拉高700ns，拉低300ns（这是设想，要确定SPI时钟频率后才能真正实现）。
4.3、SPI时钟频率
频率的确认是最关键的，这决定了是否能正确发送0码和1码。
上面讲到发送一个字节需要1us的周期，所以SPI传输每bit的时间为：1000/8=125ns，换成频率即是1/125=8Mhz，所以SPI时钟频率需要设置为8Mhz。
5、点亮RGB
SPI发送函数的实现如下：
c
/* spi.c */
...
/*****************************
* @brief : 向 SPI 总线写入n个字节数据
* @param : send_buf - 待写入的数据
* @param : send_buf_len - 待写入的数据长度
* @return: 无返回值
* @note : 通过 SPI 总线发送n个字节的数据。
*****************************/
void spi_write_nbyte_data(unsigned char *send_buf, unsigned int send_buf_len)
{
struct spi_ioc_transfer xfer[2];
unsigned char recv_buf[send_buf_len];
int status;
if(send_buf == NULL || send_buf_len < 1)
return;
memset(xfer, 0, sizeof(xfer));
memset(recv_buf, 0, sizeof(send_buf_len));
xfer[0].tx_buf = (unsigned long)send_buf;
xfer[0].rx_buf = (unsigned long)recv_buf;
xfer[0].len = send_buf_len;
status = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_MESSAGE(1), xfer);
if (status < 0) {
perror("SPI_IOC_MESSAGE");
return;
}
}
...5.1、亮绿灯
我这个灯是按照GRB的顺序发送数据。
c
/* main.c */
...
unsigned char send_buf[24] = {0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc};
spi_write_nbyte_data(send_buf, sizeof(send_buf));
...5.2、亮红灯
c
/* main.c */
...
unsigned char send_buf[24] = {0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc};
spi_write_nbyte_data(send_buf, sizeof(send_buf));
...5.3、亮蓝灯
c
/* main.c */
...
unsigned char send_buf[24] = {0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xc0, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc, 0xfc};
spi_write_nbyte_data(send_buf, sizeof(send_buf));
...5.4、完整程序
spi.h
c
/*
*
* file: spi.h
* updata: 2024-12-05
*
*/
#ifndef _SPI_H
#define _SPI_H
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <gpiod.h>
#include <stdint.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <pthread.h>
typedef struct spi_operations
{
void (*spi_write_then_read)(unsigned char *send_buf, unsigned int send_buf_len, unsigned char *recv_buf, unsigned int recv_buf_len);
void (*spi_write_byte_data)(unsigned char data);
void (*spi_write_nbyte_data)(unsigned char *send_buf, unsigned int send_buf_len);
pthread_mutex_t *mutex;
}spi_operations_t;
typedef enum
{
SPIMODE0 = SPI_MODE_0,
SPIMODE1 = SPI_MODE_1,
SPIMODE2 = SPI_MODE_2,
SPIMODE3 = SPI_MODE_3,
}SPI_MODE;
typedef enum
{
S_1M = 1000000,
S_6_75M = 6750000,
S_8M = 8000000,
S_13_5M = 13500000,
S_27M = 27000000,
}SPI_SPEED;
int spi_init(const char *spi_dev);
void spi_exit();
spi_operations_t *get_spi_ops();
#endifspi.c
c
/*
*
* file: spi.c
* updata: 2024-12-05
*
*/
#include "spi.h"
static int fd_spidev;
static int init_flag = 0; // 1已初始化 0未初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/*****************************
* @brief : 初始化 SPI 设备
* @param : spi_dev - SPI 设备路径
* @return: 成功返回 0，失败返回 -1
* @note : 初始化 SPI 接口，配置 SPI 参数。
*****************************/
int spi_init(const char *spi_dev)
{
int ret;
SPI_MODE mode;
char spi_bits;
SPI_SPEED spi_speed;
fd_spidev = open(spi_dev, O_RDWR);
if (fd_spidev < 0) {
printf("open %s err\n", spi_dev);
return -1;
}
/* mode */
mode = SPIMODE0;
ret = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_WR_MODE, &mode); //mode 0
if (ret < 0) {
printf("SPI_IOC_WR_MODE err\n");
return -1;
}
/* bits per word */
spi_bits = 8;
ret = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &spi_bits); //8bits
if (ret < 0) {
printf("SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD err\n");
return -1;
}
/* speed */
spi_speed = (uint32_t)S_8M;
ret = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &spi_speed); //1MHz
if (ret < 0) {
printf("SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ err\n");
return -1;
}
init_flag = 1;
return 0;
}
/*****************************
* @brief : 向 SPI 总线写入数据并读取数据
* @param : send_buf - 发送数据的缓冲区
* send_buf_len - 发送数据的长度
* recv_buf - 接收数据的缓冲区
* recv_buf_len - 接收数据的长度
* @return: 无返回值
* @note : 通过 SPI 总线发送和接收数据，发送的数据通过 `send_buf`，接收到的数据存放在 `recv_buf` 中。
*****************************/
static void spi_write_then_read(unsigned char *send_buf, unsigned int send_buf_len, unsigned char *recv_buf, unsigned int recv_buf_len)
{
struct spi_ioc_transfer xfer[2];
int status;
if(init_flag == 0)
{
perror("spidev can not init!\n");
return;
}
if(send_buf == NULL || recv_buf == NULL)
return;
if(send_buf_len < 1 || recv_buf_len < 1)
return;
memset(xfer, 0, sizeof(xfer));
xfer[0].tx_buf = (unsigned long)send_buf;
xfer[0].len = send_buf_len;
xfer[1].rx_buf = (unsigned long)recv_buf;
xfer[1].len = recv_buf_len;
status = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);
if (status < 0) {
perror("SPI_IOC_MESSAGE");
return;
}
}
/*****************************
* @brief : 向 SPI 总线写入一个字节数据
* @param : data - 待写入的数据字节
* @return: 无返回值
* @note : 通过 SPI 总线发送一个字节的数据。
*****************************/
static void spi_write_byte_data(unsigned char data)
{
unsigned char buff[1] = {data};
if(init_flag == 0)
{
perror("spidev can not init!\n");
return;
}
write(fd_spidev, &buff, 1);
}
/*****************************
* @brief : 向 SPI 总线写入n个字节数据
* @param : send_buf - 待写入的数据
* @param : send_buf_len - 待写入的数据长度
* @return: 无返回值
* @note : 通过 SPI 总线发送n个字节的数据。
*****************************/
static void spi_write_nbyte_data(unsigned char *send_buf, unsigned int send_buf_len)
{
struct spi_ioc_transfer xfer[2];
unsigned char recv_buf[send_buf_len];
int status;
if(init_flag == 0)
{
perror("spidev can not init!\n");
return;
}
if(send_buf == NULL || send_buf_len < 1)
return;
memset(xfer, 0, sizeof(xfer));
memset(recv_buf, 0, sizeof(send_buf_len));
xfer[0].tx_buf = (unsigned long)send_buf;
xfer[0].rx_buf = (unsigned long)recv_buf;
xfer[0].len = send_buf_len;
status = ioctl(fd_spidev, SPI_IOC_MESSAGE(1), xfer);
if (status < 0) {
perror("SPI_IOC_MESSAGE");
return;
}
}
/*****************************
* @brief : 关闭 SPI
* @param : none
* @return: 无返回值
*****************************/
void spi_exit()
{
if(fd_spidev >= 0)
close(fd_spidev);
init_flag = 0;
}
static spi_operations_t spi_ops = {
.spi_write_then_read = spi_write_then_read,
.spi_write_byte_data = spi_write_byte_data,
.spi_write_nbyte_data = spi_write_nbyte_data,
.mutex = &mutex,
};
/*****************************
* @brief : 获取SPI操作函数
* @param : none
* @return: 返回spi_operations_t结构体指针
*****************************/
spi_operations_t *get_spi_ops()
{
return &spi_ops;
};main.c
c
/*
*
* file: main.c
* update: 2024-12-05
* usage:
* sudo gcc -o main main.c
* sudo ./main FF0000
*
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <math.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include "spi.h"
unsigned char send_buf[24];
void update_sendbuff(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
{
int i = 0;
// update g
for (i = 0; i < 8; i++)
{
send_buf[i] = (g & 0x80) ? (0xFC) : (0xC0);
g <<= 1;
}
// update r
for (i = 8; i < 16; i++)
{
send_buf[i] = (r & 0x80) ? (0xFC) : (0xC0);
r <<= 1;
}
// update b
for (i = 16; i < 24; i++)
{
send_buf[i] = (b & 0x80) ? (0xFC) : (0xC0);
b <<= 1;
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
int ret;
unsigned char r, g, b;
spi_operations_t *spi_ops; // spi操作函数
// 初始化spi
ret = spi_init("/dev/spidev3.0");
if(ret < 0)
return -1;
spi_ops = get_spi_ops();
// 参数数量检查
if(argc != 2)
{
printf("Usage: %s <hex_color>\n", argv[0]);
printf("e.g. : %s FF0000\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 参数1检查 */
if(strlen(argv[1]) != 6)
{
printf("Error: The first argument has illegal length.\n");
printf("e.g. : %s FF0000\n", argv[0]);
return -1;
}
if (sscanf(argv[1], "%2hhx%2hhx%2hhx", &r, &g, &b) != 3)
{
printf("Error: Invalid hex color format.\n");
return -1;
}
// 更新颜色数据
update_sendbuff(r, g, b);
spi_ops->spi_write_nbyte_data(send_buf, sizeof(send_buf));
return 0;
}6、RGB呼吸灯
RGB三色灯可以通过控制红、绿、蓝三个颜色的分量实现全真色彩显示，同时可实现256级亮度显示。
如熄灭灯是0x000000，点亮蓝灯是0x0000ff，所以可以通过控制低16位来调节蓝灯的亮度，值越小亮度越小。
如发送0x000011时，蓝灯的亮度如下：
发送0x000055时，蓝灯的亮度如下：
发送0x0000ff时，蓝灯的亮度如下：
红灯则是调节中间16位、绿灯是调节高16位。
7、总结
参考文章：SPI驱动ws2812详细解说