概述

本文介紹了如何使用瑞薩RA微控制器，結合E2STUDIO配置工具和SPI通訊接口，來驅動和控制WS2812 LED燈帶。這是一個集硬件連接、軟件配置和編程開發于一體的綜合性項目，目標是實現對LED燈帶顏色和亮度的精確控制。

視頻教學

[https://www.bilibili.com/video/BV14u4y1h7u6/]

樣品申請

[https://www.wjx.top/vm/wBbmSFp.aspx#]

源碼下載

[https://download.csdn.net/download/qq_24312945/88489756]

芯片級聯方法

芯片在上電復位以后，接收DIN端打來的數據，接收夠24bit后，DO端口開始轉發數據，供下一個芯片提供輸入數據。在轉發之前，DO口一直拉低。此時燈珠將不接收新的數據，內置RGB芯片根據接收到的24bit數據后產生的不同占空比信號，展現不同亮度。如果DIN端輸入信號為RESET信號，芯片將接收到的數據送顯示，芯片將在該信號結束后重新接收新的數據，在接收完開始的24bit數據后，通過DO口轉發數據，燈珠在沒有接收到RESET碼前，RGB亮度保持不變，當接收到80us以上低電平RESET碼后，燈珠內部RGB芯片將根據剛才接收到的24bit數據后產生的不同占空比信號，展現不同亮度。

數據傳輸

24bit數據結構：

時序

時序波形圖如下所示。

新建工程

軟件準備

保存工程路徑

芯片配置

本文中使用R7FA4M2AD3CFP來進行演示。

開始SPI配置

點擊Stacks->New Stack->Connectivity->SPI (r_sci_spi)。

SPI屬性配置

將SPI的配置速度設為7.5M，數據寬度設為8位。
CPHA配置為第二邊沿采樣；在第一個跳變沿時，MOSI在空閑狀態保持高電平，而在第二個跳變沿，它會保持上一次傳輸的最終電平。由于發送數據的最后一位總是低電平，這樣配置可以避免WS2812誤判。CPOL設置為高，確保SCK在空閑時保持高電平狀態。

時鐘配置

SPI (r_sci_spi)的時鐘來自PLCKA。

查詢用戶手冊，配置7.5M頻率需要PLCK主頻為60M。

開發板上的外部高速晶振為12M，需要修改XTAL為12M，配置PCLKA為60MHz。

SPI配置

系統采用單總線協議，通過總線上高低電平的時長來區分邏輯0和1。WS2811工作在800kHz頻率下，將SPI設置為6.4MHz—即其工作頻率的8倍—可以確保每個字節（8位）正好對應一個邏輯位。在這種設置下，‘11111000’（0xF8）代表邏輯1，‘11000000’（0xC0）代表邏輯0。

由于瑞薩RA在SPI發送時候會拉高電平。

所以在發送的時候需要先發送8位低電平進行復位，復位時間最短位80us。
7.5MHz頻率換算位時間位133.3ns，80us/133.3ns≈600位，為了確保復位成功，需發送700位的低電平數據，即發送700/8≈88字節數據。
所以定義顯存數組為88+實際燈珠數量。

//燈條顯存SPI數據緩存
uint8_t gWs2812bDat_SPI[WS2812B_AMOUNT * 24+88] = {0};

邏輯分析儀顯示如下所示。

邏輯0下發送的數據為11000000’（0xC0）。
邏輯0下高電平位264ns。

邏輯0下低電平位800ns。

邏輯1下發送的數據為‘11111000’（0xF8）。
邏輯1下高電平位666ns。

邏輯1下低電平位400ns。

這種精確的時序配置和電平控制對于確保WS2812燈帶的正確驅動至關重要，可以通過上述配置來優化SPI接口的性能，確保與WS2812的高效通信。

CPHA配置

CPHA配置為第二邊沿采樣下數據傳輸結束如下所示。

CPHA配置為第二邊沿采樣下數據傳輸結束如下所示。

由于RESET Code為低電平，且要大于80us，所以數據傳輸完畢必須為低電平。

代碼

在main.c中添加頭文件。

#include "ws2812.h"

在main.c中添加函數申明和移位操作以及回調函數處理。

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool g_transfer_complete = false;
void sci_spi_callback (spi_callback_args_t * p_args)
{
    if (SPI_EVENT_TRANSFER_COMPLETE == p_args- >event)
    {
        g_transfer_complete = true;
    }
}

extern tWs2812bCache_TypeDef gWs2812bDat[WS2812B_AMOUNT];

void move_Front()
{
    uint8_t i;
    uint8_t temp[3];
    temp[0] = gWs2812bDat[0].R;
    temp[1] = gWs2812bDat[0].G;
    temp[2] = gWs2812bDat[0].B; 
    for (i = 0; i < WS2812B_AMOUNT-1; i++)
    {
        gWs2812bDat[i].R = gWs2812bDat[i+1].R;
        gWs2812bDat[i].G = gWs2812bDat[i+1].G;
        gWs2812bDat[i].B = gWs2812bDat[i+1].B;
    }
        gWs2812bDat[7].R = temp[0];
        gWs2812bDat[7].G = temp[1];
        gWs2812bDat[7].B = temp[2];
}

添加初始化顯示。

err = R_SCI_SPI_Open(&g_spi0_ctrl, &g_spi0_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);

    sci_spi_extended_cfg_t sci_spi_extended_cfg_t1;
    WS2812B_Task();
    R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);

添加流水燈。

while (1)
    {
      WS2812B_Task();
      move_Front();
      R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }

hal_entry.c

#include "hal_data.h"
#include "ws2812.h"
FSP_CPP_HEADER
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event);
FSP_CPP_FOOTER

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool g_transfer_complete = false;
void sci_spi_callback (spi_callback_args_t * p_args)
{
    if (SPI_EVENT_TRANSFER_COMPLETE == p_args- >event)
    {
        g_transfer_complete = true;
    }
}

extern tWs2812bCache_TypeDef gWs2812bDat[WS2812B_AMOUNT];

void move_Front()
{
    uint8_t i;
    uint8_t temp[3];
    temp[0] = gWs2812bDat[0].R;
    temp[1] = gWs2812bDat[0].G;
    temp[2] = gWs2812bDat[0].B;
    for (i = 0; i < WS2812B_AMOUNT-1; i++)
    {
        gWs2812bDat[i].R = gWs2812bDat[i+1].R;
        gWs2812bDat[i].G = gWs2812bDat[i+1].G;
        gWs2812bDat[i].B = gWs2812bDat[i+1].B;
    }
        gWs2812bDat[7].R = temp[0];
        gWs2812bDat[7].G = temp[1];
        gWs2812bDat[7].B = temp[2];
}



/*******************************************************************************************************************//**
 * main() is generated by the RA Configuration editor and is used to generate threads if an RTOS is used.  This function
 * is called by main() when no RTOS is used.
 **********************************************************************************************************************/
void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    err = R_SCI_SPI_Open(&g_spi0_ctrl, &g_spi0_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);

    sci_spi_extended_cfg_t sci_spi_extended_cfg_t1;
    WS2812B_Task();
    R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);

    while (1)
    {
      WS2812B_Task();
      move_Front();
      R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

/*******************************************************************************************************************//**
 * This function is called at various points during the startup process.  This implementation uses the event that is
 * called right before main() to set up the pins.
 *
 * @param[in]  event    Where at in the start up process the code is currently at
 **********************************************************************************************************************/
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event)
{
    if (BSP_WARM_START_RESET == event)
    {
#if BSP_FEATURE_FLASH_LP_VERSION != 0

        /* Enable reading from data flash. */
        R_FACI_LP- >DFLCTL = 1U;

        /* Would normally have to wait tDSTOP(6us) for data flash recovery. Placing the enable here, before clock and
         * C runtime initialization, should negate the need for a delay since the initialization will typically take more than 6us. */
#endif
    }

    if (BSP_WARM_START_POST_C == event)
    {
        /* C runtime environment and system clocks are setup. */

        /* Configure pins. */
        R_IOPORT_Open (&g_ioport_ctrl, g_ioport.p_cfg);
    }
}

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD

FSP_CPP_HEADER
BSP_CMSE_NONSECURE_ENTRY void template_nonsecure_callable ();

/* Trustzone Secure Projects require at least one nonsecure callable function in order to build (Remove this if it is not required to build). */
BSP_CMSE_NONSECURE_ENTRY void template_nonsecure_callable ()
{

}
FSP_CPP_FOOTER

#endif

ws2812.c

/*
 * ws2812.c
 *
 *  Created on: 2023年10月31日
 *      Author: Administrator
 */

#include "ws2812.h"
#include "hal_data.h"
extern fsp_err_t err ;
extern volatile bool g_transfer_complete ;

//燈條顯存SPI數據緩存
uint8_t gWs2812bDat_SPI[WS2812B_AMOUNT * 24+88] = {0};
//燈條顯存
tWs2812bCache_TypeDef gWs2812bDat[WS2812B_AMOUNT] = {

//R    G      B
0XFF, 0X00, 0X00,   //0
0X00, 0XFF, 0X00,   //1
0X00, 0X00, 0XFF,   //2
0X00, 0XFF, 0XFF,   //3
0XFF, 0X00, 0XFF,   //4
0XFF, 0XFF, 0X00,   //5
0XFF, 0XFF, 0XFF,   //6
0X00, 0X00, 0X00,   //7
};

void WS2812b_Set(uint16_t Ws2b812b_NUM, uint8_t r,uint8_t g,uint8_t b)
{
    uint8_t *pR = &gWs2812bDat_SPI[88+(Ws2b812b_NUM) * 24 + 8];
    uint8_t *pG = &gWs2812bDat_SPI[88+(Ws2b812b_NUM) * 24];
    uint8_t *pB = &gWs2812bDat_SPI[88+(Ws2b812b_NUM) * 24 + 16];

    for(uint8_t i = 0; i <  8; i++) {
        if(g & 0x80) {
            *pG = CODE_1;
        }
        else {
            *pG = CODE_0;
        }
        if(r & 0x80) {
            *pR = CODE_1;
        }
        else {
            *pR = CODE_0;
        }
        if(b & 0x80) {
            *pB = CODE_1;
        }
        else {
            *pB = CODE_0;
        }
        r < <= 1;
        g < <= 1;
        b < <= 1;
        pR++;
        pG++;
        pB++;
    }
}
void WS2812B_Task(void)
{
    uint8_t dat = 0;
    for(int i=0;i< 88;i++)
    {
        gWs2812bDat_SPI[i]=0;

    }
    //將gWs2812bDat數據解析成SPI數據
    for(uint8_t iLED = 0; iLED < WS2812B_AMOUNT; iLED++)
    {
        WS2812b_Set(iLED, gWs2812bDat[iLED].R, gWs2812bDat[iLED].G, gWs2812bDat[iLED].B);
    }
    //總線輸出數據

    /* Send the reset command */
    g_transfer_complete = false;
    err = R_SCI_SPI_Write(&g_spi0_ctrl, gWs2812bDat_SPI, sizeof(gWs2812bDat_SPI), SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    /* Wait for SPI_EVENT_TRANSFER_COMPLETE callback event. */
    while (  g_transfer_complete==false)
    {
        ;
    }
//    //使總線輸出低電平
//    g_transfer_complete = false;
//     err = R_SCI_SPI_Write(&g_spi0_ctrl, dat, 1, SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);
//     assert(FSP_SUCCESS == err);
//     /* Wait for SPI_EVENT_TRANSFER_COMPLETE callback event. */
//     while (  g_transfer_complete==false)
//     {
//         ;
//     }

    //幀信號：一個大于50us的低電平
     R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
}

ws2812.h

/*
 * ws2812.h
 *
 *  Created on: 2023年10月31日
 *      Author: Administrator
 */

#ifndef WS2812_H_
#define WS2812_H_

#include < stdint.h >

//            編碼 0 : 11000000
#define CODE_0      0xc0
//            編碼 1 : 11111000
#define CODE_1      0xF8
/*ws2812b燈珠數量*/
#define WS2812B_AMOUNT      8

typedef struct
{
    uint8_t R;
    uint8_t G;
    uint8_t B;
} tWs2812bCache_TypeDef;

extern tWs2812bCache_TypeDef gWs2812bDat[WS2812B_AMOUNT];

void WS2812b_Set(uint16_t Ws2b812b_NUM, uint8_t r,uint8_t g,uint8_t b);
void WS2812B_Task(void);


#endif /* WS2812_H_ */

審核編輯 黃宇