利用零知增强版的GPIO 模拟时序

       在本教程中，我们将探讨如何使用 零知增强版的 GPIO 接口来模拟 WS2812B LED 灯带的信号传输时序，从而实现对单色或多彩 LED 灯带的控制。这种技术允许我们避开专用驱动库，直接与硬件进行交互，理解并掌握 WS2812B 的通信机制。

一、工具原料

电脑、Windows系统

零知增强版开发板

Micro-usb线

WS2812RGB灯

       WS2812B 是一款内含控制器芯片的全彩 LED 灯珠，每个灯珠可以独立显示红、绿、蓝三色。它通过单一数据线接收命令，实现高精度颜色控制。

二、硬件连接

零知增强版	WS2812B
5V	VCC
GND	GND
51	Din

1、硬件连接示意图

2、实际效果

三、传输时序和颜色控制

1、信号传输时序

WS2812B 的数据传输遵循特定的时间序列：

• 高电平持续时间决定比特值：T1H 和 T0H 分别代表比特 1 和比特 0 的高电平持续时间。
• 低电平持续时间：T1L 和 T0L。

注：T1H 为 800ns，T1L 为 450ns 表示 1 比特。

  T0H 为 400ns，T0L 为 850ns 表示 0 比特。

2、颜色控制

控制全局亮度和遵循WS2812B发送的时序：

• 通过brightness参数调节RGB灯的全局亮度
• WS2812B协议发送时序为G -> R -> B

四、代码驱动

1、相关定义和初始化

// WS2812B相关定义
#define WS2812B_PIN 51      // WS2812B数据引脚
#define NUM_LEDS 8          // 灯珠数量
#define MAX_BRIGHTNESS 0.5  // 全局亮度调节（范围：0.0 - 1.0）

// WS2812B控制协议时间（根据各自的时序进行修改该定义）
#define T1H 800
#define T1L 450
#define T0H 400
#define T0L 850

// 初始化WS2812B引脚
void setupWS2812B() {
    pinMode(WS2812B_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
}

// 更精确的纳秒延时函数（这里只是示例，实际可能需要更复杂的实现）
// 假设使用了支持纳秒级延时的定时器库
// 这里暂时使用简单的微秒级延时近似
void delayNanoseconds(unsigned long ns) {
    delayMicroseconds(ns / 1000);
}

2、控制颜色和发送相关数据

// 发送一个比特
void WS2812B_SendBit(bool bitVal) {
    if (bitVal) {
        // 发送逻辑1
        digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
        delayNanoseconds(T1H);
        digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
        delayNanoseconds(T1L);
    } else {
        // 发送逻辑0
        digitalWrite(WS2812B_PIN, HIGH);
        delayNanoseconds(T0H);
        digitalWrite(WS2812B_PIN, LOW);
        delayNanoseconds(T0L);
    }
}

// 发送一个字节
void WS2812B_SendByte(uint8_t byte) {
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        WS2812B_SendBit(byte & (1 << i));
    }
}

// 发送RGB颜色数据（带亮度调节）
void WS2812B_SendColor(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    // 应用全局亮度调节
    red = (uint8_t)(red * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    green = (uint8_t)(green * brightness * MAX_BRIGHTNESS);
    blue = (uint8_t)(blue * brightness * MAX_BRIGHTNESS);

    // WS2812B协议发送顺序：G -> R -> B
    WS2812B_SendByte(green);
    WS2812B_SendByte(red);
    WS2812B_SendByte(blue);
}

3、实现流水灯、呼吸灯等功能

// 效果：彩虹追逐
void rainbowChaseEffect(uint8_t wait) {
    for (int offset = 0; offset < 255; offset++) {
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            int hue = (i * 255 / NUM_LEDS + offset) % 255;
            uint8_t r = 0, g = 0, b = 0;
            if (hue < 85) {
                r = 255 - hue * 3;
                g = hue * 3;
                b = 0;
            } else if (hue < 170) {
                hue -= 85;
                r = 0;
                g = 255 - hue * 3;
                b = hue * 3;
            } else {
                hue -= 170;
                r = hue * 3;
                g = 0;
                b = 255 - hue * 3;
            }
            WS2812B_SendColor(r, g, b, MAX_BRIGHTNESS);
        }
        delay(wait);
    }
}

// 呼吸灯效果
void breathAndFlow(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t steps, uint16_t period, uint8_t wait, uint8_t iterations) {
    int ledStep[NUM_LEDS]; // 为每个 LED 创建一个步骤计数器
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        ledStep[i] = 0; // 初始化每个LED的步进
    }

    uint8_t cycleCounter = 0; // 添加循环计数器

    while (cycleCounter < iterations) { // 有限循环，迭代指定次数
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
            // 计算当前 LED 的亮度比例
            float brightness = (sin(ledStep[i] * (M_PI / (steps))) + 1) / 2;
            WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness); // 使用计算出的亮度

            // 更新 LED 的步骤计数器，模拟呼吸效果
            ledStep[i] = (ledStep[i] + 1) % (steps * 2); // 确保计数器在达到两倍步骤后重置

            // 计算每个步骤的时间间隔
            delayMicroseconds(period / steps);
        }
       
        // 在一轮呼吸之后关闭所有灯
        clearAllLeds();

        // 增加循环计数器
        cycleCounter++;

        // 根据需要添加延迟，虽然这不是必须的
        delay(wait);
    }
}

// 增加一个状态变量来记录是否有颜色覆盖
bool isCovered = false;

// 流水灯
void ShampEffect(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, uint8_t trailDecay, uint8_t wait) {
    // 特殊处理第一个灯
    WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
    // 从第二个灯开始的索引为1
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        for (int j = 0; j <= NUM_LEDS; j++) {
            if (i - j == 0) {
                if (!isCovered) {
                    // 如果没有被覆盖，设置为绿色
                    WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS);
                } else {
                    WS2812B_SendColor(red, green, blue, MAX_BRIGHTNESS);
                }
            } else {
                WS2812B_SendColor(0, 0, 0, MAX_BRIGHTNESS * trailDecay / 255.0);
            }
        }
        if (i == NUM_LEDS - 1) {
            // 当到达最后一个灯时，标记为已覆盖
            isCovered = true;
        }
        delay(wait);
    }
}

4、控制灯的状态

// 设置特定位置灯珠颜色
void setLedColor(uint8_t pos, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    if (pos < NUM_LEDS) {
        // 只发送前面灯珠的关闭信号，直到要设置颜色的灯珠位置
        for (int i = 0; i < pos; i++) {
            WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
        }
        // 设置目标灯珠颜色
        WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
        // 发送后面灯珠的关闭信号，从目标灯珠的下一个位置开始
        for (int i = pos + 1; i < NUM_LEDS; i++) {
            WS2812B_SendColor(0, 0, 0, 0);
        }
    }
}

// 设置所有灯珠颜色
void setAllLeds(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue, float brightness) {
    clearAllLeds();// 先清除所有灯珠，确保没有杂色
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
        WS2812B_SendColor(red, green, blue, brightness);
    }
}

// 清除所有灯珠
void clearAllLeds() {
    for (int i = 0; i < NUM_LEDS * 3; i++) {
        WS2812B_SendByte(0);
    }
}

5、主循环

// 初始化
void setup() {
    setupWS2812B();
    clearAllLeds();  // 确保灯带初始状态关闭
}

// 主循环
void loop() {
    uint8_t Count = 0;
    //clearAllLeds();
    // 设置第六个灯珠为蓝色
    //setLedColor(5, 0, 0, 255, MAX_BRIGHTNESS);
    //delay(500);
    while(Count < 10)
    {
      ShampEffect(0, 0, random(255), 256, 200);
      Count ++;
    }
   
    //rainbowChaseEffect(1000);
    breathAndFlow(0,255,0,5,50,100,100);
}

五、成果展示

将上诉代码验证后上传到零知板，可以看到以下流水灯、呼吸灯等测试结果。