STM32实现LED舞台灯具控制

一、设计

1. 主控选型方案

型号	核心架构	关键特性	适用场景
STM32G431CB	Cortex-M4F	170MHz主频，3个硬件加速器，集成运放，支持三电阻采样	高性能舞台灯光
STM32H750VBT	Cortex-M7	480MHz主频，双精度FPU，支持硬件色彩空间转换	专业级灯光系统
STM32F407ZGT	Cortex-M4F	经济型方案，支持三相逆变器控制，需外接运放	低成本演出方案

2. 电路连接方案

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LED灯带连接示例：
STM32F407ZGT       WS2812B LED灯带
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3.3V          →  VCC
GND           →  GND
PA0 (TIM2_CH1)→  DIN (数据输入)
PB6 (TIM3_CH1)→  CLK (时钟输入)

3. 电源设计要点

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电源拓扑：
AC输入 → 整流桥 → PFC电路 → DC-DC降压 → 恒流驱动
关键参数：
- 输入电压：AC 85-265V
- 输出电压：5V/12V/24V可选
- 恒流精度：±2%

二、核心算法实现

1. WS2812B驱动代码（HAL库）

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// WS2812B时序定义
#define WS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET)
#define WS_LOW()  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET)

// 发送单个位
void WS_SendBit(uint8_t bit) {
    if(bit) {
        WS_HIGH();
        for(volatile int i=0; i<10; i++); // 0.4us高电平
        WS_LOW();
        for(volatile int i=0; i<20; i++); // 0.8us低电平
    } else {
        WS_HIGH();
        for(volatile int i=0; i<5; i++);  // 0.2us高电平
        WS_LOW();
        for(volatile int i=0; i<30; i++); // 1.2us低电平
    }
}

// 发送颜色数据
void WS_SendRGB(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
    WS_SendBit(1); // Start bit
    WS_SendByte(g); // 绿色
    WS_SendByte(r); // 红色
    WS_SendByte(b); // 蓝色
    WS_SendBit(0); // 结束位
}

2. 动态效果引擎

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typedef struct {
    uint8_t mode;       // 运行模式
    uint16_t speed;     // 速度参数
    uint8_t brightness; // 亮度等级
    float hue;          // 色相值
} LightState;

// 预定义颜色表
const uint32_t colorTable[7] = {
    0xFF0000, // 红
    0x00FF00, // 绿
    0x0000FF, // 蓝
    0xFFFF00, // 黄
    0xFF00FF, // 紫
    0x00FFFF, // 青
    0xFFFFFF  // 白
};

// 效果模式处理函数
void Process_Effect(LightState *state) {
    static uint16_t counter = 0;
    
    switch(state->mode) {
        case 0: // 单色呼吸灯
            state->brightness = (sin(counter*0.1) +1)*127;
            WS_SendRGB(255,0,0);
            break;
        case 1: // 彩虹渐变
            WS_SendRGB(hsv_to_rgb(state->hue, 1.0, state->brightness));
            state->hue += 0.01;
            break;
        case 2: // 流水灯
            for(int i=0; i<LED_COUNT; i++) {
                WS_SendRGB(colorTable[i%7]);
            }
            break;
    }
    counter++;
}

三、STM32配置代码（HAL库）

1. 定时器配置（用于PWM调光）

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void MX_TIM2_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 84-1;    // 1MHz时钟
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 1000-1;     // 1kHz PWM频率
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

2. DMA配置（用于批量数据传输）

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void MX_DMA_Init(void) {
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
    
    DMA_HandleTypeDef hdma_memtomem_dma1_channel0;
    
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Instance = DMA1_Channel0;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.PeriphInc = DMA_PINC_ENABLE;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
    hdma_memtomem_dma1_channel0.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    
    HAL_DMA_Init(&hdma_memtomem_dma1_channel0);
    __HAL_LINKDMA(&hdma_mem, hdmatx, hdma_memtomem_dma1_channel0);
}

四、完整工程结构

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├── Core/
│   ├── Inc/
│   │   ├── main.h
│   │   ├── light.h
│   │   └── ws2812.h
│   └── Src/
│       ├── main.c
│       ├── light.c
│       └── ws2812.c
├── Drivers/
│   ├── CMSIS/
│   └── STM32F4xx_HAL_Driver/
└── Middlewares/
    └── USB_Device/

五、扩展功能实现

1. DMX512协议支持

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void DMX_Init() {
    // 配置USART2为RS485模式
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 250000;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_2;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

void DMX_SendFrame(uint8_t *data, uint16_t length) {
    // 发送起始码
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)0, 1, HAL_MAX_DELAY);
    
    // 发送数据包
    for(int i=0; i<length; i++) {
        HAL_UART_Transmit(&huart2, &data[i], 1, HAL_MAX_DELAY);
    }
}

2. 语音控制集成

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void Audio_Process(uint8_t *audio_data) {
    // 傅里叶变换提取主频
    float freq = FFT_Analyze(audio_data);
    
    // 根据频率切换模式
    if(freq > 200 && freq < 500) {
        Set_Mode(0); // 呼吸模式
    } else if(freq > 1000) {
        Set_Mode(1); // 彩虹模式
    }
}

参考代码 LED舞台灯具STM32控制源码 www.youwenfan.com/contentcsj/71737.html

六、调试与验证

1. 逻辑分析仪捕获示例

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CH0: CLK信号（24MHz）
CH1: DIN信号（符合WS2812B时序）
CH2: PWM输出（亮度调节波形）

2. 性能优化技巧

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// 使用DMA加速颜色数据传输
HAL_DMA_Start_IT(&hdma_mem, (uint32_t)colorBuffer, (uint32_t)LED_DATA_REG, LED_COUNT);

// 启用硬件CRC校验
HAL_CRCEx_Polynomial_Set(&hcrc, 0x1EDC6F41, 32);