用 AVR 控制 WS2812 LED

最近看到這款新型的 LED
LED 只有亮和暗兩種狀態, 所以如果要半亮或微亮就必須用 PWM 快速的開關來產生半亮效果
一顆 LED 不難做, 但是如果要彩色那就是個機車的問題
彩色 LED 是三種顏色的 LED 做在一起, 也就是紅藍綠三色
然後透過 PWM 改變三種顏色的亮度來產生多種顏色, 三種顏色就要三通道 PWM
PWM 不一定要硬體 PWM, 可以用一個 timer 加上無限迴圈一直監看數字然後設 GPIO
但是有幾通道就要有幾隻腳, 一個燈就要三隻, 多燈共用又有亮度問題
若分到的時間太少就不夠亮, 這問題是很機車的
所以 WS2812 這顆只需要一隻腳就能串接無限顆的彩色 LED 簡直是救星XD
不過因為只有一隻腳, 不像 SPI 那樣有同步 clock, 因此時間就要算得很準才行



這顆的訊號傳輸是這樣的：

送一個表示 0 的 bit, 先將信號腳拉高 350 nS, 然後拉低 800 nS
表示 1 的 bit 則是拉高 700 nS 後拉低 600 nS
然後送出 24-bit 即設定完成一燈的顏色, 綠色先送, 然後是紅色和藍色, 各顏色的高位元先送
所有燈都送完後拉低等 50 uS 顏色值就會套用到燈上, 若一直送都不等, 顏色將不會改變！
WS2812 會認為還有資料要傳而不會改變狀態

這信號單位是 nS, 10^-9 秒, 速度要求蠻高的, 也就是 CPU 時脈最好要有 10MHz
不過對於一個指令要多個 clock 才能完成的處理器有可能會惹麻煩
這次我試了兩種 MCU： atmega8 和 cc2540
atmega8 的 AVR 系列大多數指令都是一個 clock 就能做完
不過以我的 11.0952 MHz 來做還是有些吃緊
如果用迴圈送每個 bit 就會不夠快, 還在想該不會要動用組合語言
後來找了一些資料發現不用, 用 C 還夠用
作法是迴圈展開, 像這樣:

m = 0x80;
for(i=0; i<8; i++){
    if((b & m) == 0){
        PORTB |= (1<<0);
        ... // 350 nS
        PORTB &= ~(1<<0);
        ... // 800 nS
    }else{
        ...
    }
    m = m >> 1;
}

m 是遮罩, b 是要送出的 byte, for 迴圈會包含遞增, 判斷, 然後跳躍
(add, branch, jump, 請參考計算機組織書籍XD)
這都是相當昂貴的指令, 也就是耗時間, b & m 那裡也會花時間
如果是沒有最佳化的編譯器 PORTB |= (1<<0) 那裡也很恐怖
先把 PORTB 資料放入暫存器, 然後做 OR, 再寫回
如果照這樣做下去 10MHz 根本不夠快, 這堆做完就 1000 nS 了
可是代表 0 的 bit 只能等 350 nS
所以我的寫法是 for loop 拔掉, 就手動輸入 0x80 0x40 0x20 ... 等
b & m 那裡沒門, 留著, PORTB |= (1<<0) 則沒關係
有興趣可再編譯後打開 lst 檔, 可以看到：

27:main.c        ****     WS_OUT_BYTE(g)
22                       .loc 1 27 0
23 0000 6623              tst r22
24 0002 04F0              brlt .L2
25                       .loc 1 27 0 is_stmt 0 discriminator 1
26 0004 C09A              sbi 0x18,0
27                   /* #APP */
28                    ;  27 "main.c" 1
29 0006 0000              nop
30                     
31                    ;  0 "" 2
32                    ;  27 "main.c" 1
33 0008 0000              nop
34                     
35                    ;  0 "" 2
36                   /* #NOAPP */
37 000a C098              cbi 0x18,0
38                   /* #APP */
39                    ;  27 "main.c" 1
40 000c 0000              nop

設定 PORTB 的指令只有一條, 分別為 sbi 0x18,0 和 cbi 0x18,0
以前 avr-gcc 要用一個 macro 才能做, 新版似乎已經內建, 所以沒這問題
如果要搬移到其他平台需要注意這, 別的平台不一定會轉成 set bit 這種指令
然後 if((b & m) == 0) 這判斷式必須是這樣
理由是代表 0 的 bit 只有 350 nS, 讓它緊跟著判斷式可以不用跳躍
如果放到 else 後面就會經過跳躍, 會多一條指令, 當處理器慢一點時像是 8MHz 就會在邊緣
寫完後接著就拿示波器多調整幾次, 要讓誤差落在 150 nS 以內 (datasheet 有寫)
這樣能動了, 原始碼：

ws2812.zip



本實驗室的 WT-03


信號線只有一條, 接在 PB0 上


很刺眼！


降低 ISO 以保留 LED 中央的細節XD
這比較接近眼睛看到的


接著我換試 cc2540, 德州儀器的 BLE 平台

驗證階段, 外觀有點噁心不要介意XD
它是 3V 的 MCU, WS2812 至少要 4V 以上才會亮, 所以 IO 要準位轉換
用一個 AND 閘即可, 近代 AND 閘可以有 100MHz 的速度, 沒問題
但是 cc2540 有問題！
它是顆 32MHz 的 8051, 大多數指令也都是一個 clock 就完成, 但是！
它的判斷和跳躍感覺很慢, 要好幾個 clock 才能完成
我檢視 IAR 編出的組合語言指令數都很少
判斷後也有 set bit 功能, 但是示波器量出來就是運算時間都 1000 nS 上下
後來翻德州儀器的使用手冊發現這段


和時間有關的迴圈可能要修改, 雖然沒明說但應該就是這兩指令可能明顯較慢
附上程式供參考：

ws2812.c 這程式僅供參考, 它不能用！

所以跑出來就變成...

雖然我送的是彩色可是只有三個亮, 而且是全白的
所以時脈高不一定能跑, 雖然也有可能是我沒寫好
但是那指令已經少到只剩幾條還是點不起來我也沒轍了
或許有高手能點起來, 但若換作我可能還是再多打一顆 MCU 上去唄