Управление светодиодами WS2812B на микроконтроллерах серии EFM8BB5

Автор: Сергей Безруков (aka Ser60)
Опубликовано 10.02.2022
Создано при помощи КотоРед.

Светодиодные ленты со встроенным контроллером WS2812(B) находят сегодня широкое применение в радиолюбительской практике и не только. Принцип управления каждым пикселем ленты сводится к посылке в него серии из 24 бит, содержащих код цвета, который состоит из полей R (красный), G (зелёный), и B (синий), по 8 бит на каждый цвет. Отсылка битов производится асинхронно по одной сигнальной линии, где каждый бит кодируется как показано ниже. Длительности T0H/T0L и T1H/T1L должны быть около 0.4/0.85 мкс и 0.8/0.45 мкс, соответственно [1], но могут и несколько отличаться в зависимости от производителя ленты. Таким образом, период обоих сигналов для отсылки 0 и 1 равен 1.25 мкс.

Известно несколько способов формирования нужной битовой последовательности. Исключая тривиальный способ формирования временных интервалов, основанный на непосредственном управлении выводами МК, широко применяется способ управления с помощью аппаратного драйвера SPI, имеющимся практически в любом МК (см., например, [2]). При этом для отсылки одного бита на WS2812 приходится посылать целый байт в драйвер. Этот подход приводит к большей чем следует занятости процессора. Лучше в этом плане обстоит дело в МК, содержащих аппаратный драйвер DMA (например, многие ARM), где управляющая последовательность генерируется путём изменения скважности ШИМ. Однако, для питания WS2812 требуется 5V, в то время как напряжение питания большинства (популярных) ARM микроконтроллеров не превосходит 3.6V, что приводит к необходимости вводить в схему LDO для питания ARM и согласователь логических уровней. Наверняка имеются и другие способы формирования битовых последовательностей.

Здесь я хочу обратить внимание читателей на оригинальный способ управления WS2812, пригодный для относительно новых МК серии PIC16, и подробно описанный, например в [3], [4]. В этих МК имеется по нескольку встроенных модулей конфигурируемой логики (CLC), позволяющих на аппаратном уровне сформировать необходимые сигналы с помощью SPI и генератора ШИМ. При этом для формирования последовательности из 8 бит для WS2812 требуется загрузить лишь один байт в блок SPI. Принцип формирования временных последовательностей показан на диаграмме ниже, заимствованной из [3], на примере отсылки байта 10011000 в WS2812.

Три верхние осциллограммы соответствуют сигналам SPI (работающего в режиме master) и ШИМ, соответственно. Ширина импульса SCK должна соответствовать T1H, а ширина импульса ШИМ должна быть равна T0H. Период обоих сигналов SCK и ШИМ должен быть 1.25 мкс, что соответствует частоте 800 КГц. Осциллограмма SCK & SDO представляет собой сформированные из последовательности SDO сигналы единиц в формате WS2812, а осциллограмма SCK & nSDO & PWM – сигналы нулей. Для получения окончательной последовательности, показанной на самой нижней осциллограмме, остаётся применить логическую операцию ИЛИ к указанным выше сигналам нулей и единиц. Важно отметить, что все логические операции производятся аппаратно внутри МК модулями CLC без участия процессора.

Для использования этой идеи на практике необходимо обеспечить синхронность во времени сигналов SCK и PWM. В МК серии PIC это легко достигается генерацией обоих сигналов от одного таймера. К сожалению, такого МК у меня нет, но подобные модули конфигурируемой логики имеются и в МК других производителей. Здесь будет рассказано как реализовать описанный принцип генерации сигналов на микроконтроллерах серии EFM8BB5 фирмы Silicon Labs. Эти МК, так же, как и PIC16, могут питаться непосредственно от 5V, что упрощает их согласование с WS2812. Однако, модули конфигурируемой логики в EFM8BB5х, так же, как и SPI и PWM, построены на несколько иных принципах, что делает невозможным реализацию указанного подхода в полной аналогии с PIC. Тем не менее, оказалось, что заимствованный у PIC подход реализуем на EFM8, что и составило предмет настоящей статьи.

Первой трудностью было получить синхронные сигналы SCK и PWM. В отличии от PIC, для формирования SCK модулем SPI в режиме master и PWM в МК серии EFM8BB5 используется только тактовая частота системы (SYSCLK). Это делает невозможным синхронизацию указанных сигналов, поскольку отсылка байта в модуль SPI (следовательно, начало генерации SCK) производится программно и асинхронно с PWM. Однако, в режиме SPI slave возможна генерация SCK от модуля конфигурируемой логики. Здесь мы подходим плотнее к рассмотрению одного мoдуля CLU (Configurable Logic Unit), которых в МК имеется целых 4.

Сердцем модуля CLU_n (n=0,1,2,3) является таблица LUT, позволяющая реализовать любую логическую функцию от трёх переменных. В качестве переменных функции выступают сигналы от мультиплексоров A и B, а также выход модуля CLU_n-1 (для модуля CLU₀ используется выход модуля CLU₃). Отмечу, что все упомянутые выше логические формулы зависят как раз от трёх или меньшего числа переменных. Асинхронный выход модуля можно направить на вывод корпуса, а выход синхронизированный с SYSCLK использовать для управления периферией. При этом, несмотря на наличие XBAR (Priority Crossbar Decoder), конфигурирующего назначение выходов периферии на выводы корпуса, выходы модулей CLU_n не контролируются XBAR и их можно вывести только на 4 фиксированных пина корпуса (см. data-sheet). В нашем проекте из четырёх имеющихся модулей CLU используются лишь три (CLU₀, CLU₁, CLU₃) и окончательный сигнал реализуется на выходе CLU₁ (P0.5).

Формирование сигналов SCK и PWM у нас производится, соответственно, каналами PWM.0 (CH0X) и PWM.1 (CH1X) периферийного модуля PWM0. Сигналы этих модулей выведены через Crossbar на выводы корпуса P1.3 и P1.4. К сожалению, в этой модели МК невозможно реализовать все необходимые соединения периферийных модулей внутренним образом без использования выводов корпуса. Однако, выходной сигнал какого-либо модуля периферии с вывода корпуса можно непосредственно использовать в качестве входного для другого модуля. В результате, для данного приложения не требуется соединять какие-либо выводы корпуса вместе. Модуль CLU₃ используется исключительно для генерации SCK для модуля SPI, работающего в режиме slave. Его выходной сигнал также выводится на вывод P1.5 для обработки модулем CLU₁, но только если P0.4=1. Этим предотвращается генерация "лишних" импульсов в конце цикла связи с WS2812. Выводы SCK/SDI/SDO модуля SPI направлены на выводы P1.0/P1.1/P1.2, соответственно. На выходе CLU₀ формируется сигнал SCK & nSDO & PWM, который через внутреннее соединение передаётся на модуль CLU₁. Последний на своём выходе P0.5 реализует формирование сигнала SCK & SDO и логическое ИЛИ этого сигнала с сигналом SCK & nSDO & PWM от модуля CLU₀. Ниже показана конфигурация входов мультиплексоров A и B модулей CLU. Входной сигнал CLU₀.С соответствует выходу модуля CLU₃, а CLU₁.C – выходу модуля CLU₀.

Логические таблицы выходных сигналов модулей CLU₀ (SCK & nSDO & PWM), CLU₁ ((SCK & SDO) || CLU₀), и CLU₃ выглядят следующим образом. Отмечу, что несмотря на внутренее соединение выхода CLU₂ со входом CLU₃, выходной сигнал последнего в данном случае не зависит от незадействованного модуля CLU₂.

Соответственно, значения, загружаемые в регистры FNSEL этих модулей, равны 0х20, 0хЕА, и 0хC0 (читаемые в таблицах снизу вверх). Таким образом, получаем следующую картину использования выводов корпуса под внутренние нужды приложения. Поскольку в данном приложении от МК требовалась лишь генерация сигналов для WS2812, минимизация задействованных для этого выводов корпуса не производилась. Как отмечено в [3] и [4], вывод SPI/SDI можно использовать для одновременного ввода данных с внешнего устройства. В нашем случае, поскольку SPI используется в режиме slave, можно производить одновременную выдачу данных SPI на внешнее устройство через вывод SDO = P1.2.

Результат работы драйвера показан ниже на примере посылки в WS2812B трёх байтов цвета 0х89, 0х55, 0хАА (нижняя осциллограмма). Напомню, что поскольку модуль SPI работает в режиме slave, сигнал пересылаемых данных (верхняя осциллограмма) реализуется на выводе SDI. Генерация обоих сигналов ШИМ разрешается в программе только на время отсылки трёх байтов на WS2812.

Разработка программного обеспечения производилась на языке С в системе Silicon Labs Simplicity Studio v5 на демо-плате EFM8BB51 MCU Explorer Kit (BB51-EK2700A). Несмотря на то, что МК может питаться от 5V, на демо-плате он запитан через LDO с выходным напряжением 3.3V. Поэтому для согласования его с WS2812 при тестировании я применил буферный каскад на NC7WZ17P6. Полный файл проекта WS2812_BB51.sls и отдельно main.c находятся в приложении. Для загрузки и отладки кода МК задействован USB Debug Adapter фирмы.

Этот проект послужил основой для замены/дополнения штатной боковой подсветки под объективом оптического микроскопа Leica Zoom 2000 кольцом из 16 светодиодов. На следующих снимках показан проект в завершающей его стадии. Истинные цвета кольца сложно передать на фотографиях из-за засветки камеры. Отмечу лишь, что при установке цвета каждого светодиода 0xFF свет получается очень яркий и белый с незначительным оттенком желтизны. Синий светодиод в этой модели кольца ощутимо менее яркий, чем красный и зелёный, что явно видно на фото выше. Странная конструкция вокруг отверстия в нижней части платы сделана для установки платы на имеющимся выступе корпуса микроскопа вблизи его объектива. Плата крепится к корпусу винтом М2.5.

На плате помимо самого кольца установлен лишь МК в корпусе QFN20 с минимальной обвязкой и разъёмом для программирования, а также танталовый конденсатор ёмкостью 220 мкФ в цепи питания в соответствии с рекомендациями производителя кольца. Питание платы производится от телефонного зарядника на 5V и 1А, потребляемый ей ток при максимальной яркости всех светодиодов кольца около 650 мА. Светодиоды при работе нагреваются по моим оценкам градусов до 40. В качестве развития проекта следует подумать о введении в схему Bluetooth/WiFi модуля для оперативной регулировки яркости и цвета подсветки, или реализации световых эффектов при другом её применении.

Литература

1. Гирлянда на светодиодах WS.
2. Плейер световых эффектов.
3. Microchip AN1606.
4. Microchip AN1890.

Файлы:
Архив ZIP

Все вопросы в Форум.