【.NET 與樹莓派】控制彩色燈帶（WS28XX）

東邪獨孤發表於2021-12-14

彩色燈帶，相信不用老周多說，大家都知道，沒準你家裡的燈牆裡面就有。老周的茅屋是早期建造的，所以沒有預留的燈槽，明燈的話是不好看的，因此老周家裡沒使用燈帶。不過，像櫃子後面，顯示器後面，書桌邊沿這些地方，可以貼彩色燈帶。書架上也貼了一些，因為那個書架是聖誕樹形狀的，沒辦法一條燈帶貼完，只能把它剪開 N 段，測算好每一段的距離，再用烙鐵加線重新焊接起來（嫌麻煩的話可以直接買連線頭，不用焊接）。

買燈帶時老周沒有買驅動器，畢竟一開始老周就計劃自己寫個程式來控制燈帶的色彩。裝飾用的燈帶，5V 電壓足矣。如果燈較多可以考慮獨立供電，5V電源比較方便好弄，手機充電頭、鋰電池+5V穩壓板即可輕鬆解決。其實，兩米長度內直接用開發板供電都沒啥問題。要是五米一卷的，用樹莓派的5V引腳供電沒有問題，但用 ESP32 的話，電壓好像有點不夠，亮度降低。

老周的臥室裡面目前使用的裝飾燈是用 ESP 32 做的，兩顆18650電池供電（需要穩壓模組調到5V電壓）。主要是看中 ESP32有 WiFi 功能，上面寫個 UDP 伺服器，通過接收到的命令來切換燈帶顏色。

控制命令比較簡單，全用文字格式，客戶端只要傳送滿足格式要求的命令到 ESP32 即可。比如，傳送

SET+255 125 127

首先識別出“SET+”，後面三個數值用空格分隔，依次表示 RGB 三個值。例如，讓燈變成藍色

SET+0 0 255

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彩色燈帶使用 WS28XX 作為IC，常見的像 WS2812B。每個燈珠都可以單獨控制，燈帶剪開後只需要串聯好就行，燈帶末端不需要連線回路，WS28XX 自帶回路。

WS28XX 的時序其實很簡單，+5V 和 GND 是供電介面，剩下一根資料線來傳輸訊號，所以這貨是單資料線控制的。當N個燈珠串聯起來後，第一個燈珠的 Din 輸入訊號，Dout 輸出訊號；第一個燈珠 Dout 聯第二個燈珠的 Din；第二個燈珠的 Dout 聯第三個燈珠的 Din ……

我們都知道，RGB三個值，各為一個位元組，8位，三個值合起來 24 位，所以每個燈珠的資料為24位，3個 byte。對於每個二進位制位，WS28XX 是通過單週期內高電平的持續時間來判斷 0 或 1。

請看下面的高清無碼美圖。

上面這個就是 WS28XX 的時序圖。在一個脈衝週期內，如果：

高電平持續時間為 0.4 微秒，低電平持續時間為 0.85 微秒，那麼就是0；

高電平持續時間為 0.85 微秒，低電平持續時間為 0.4 微秒，那麼就是1。

故一個週期的總時長為 1.25 微秒，即頻率為 1000000 / 1.25 = 800 KHz，即 0.8 MHz。

請記住這個頻率，後面有用。

WS28XX的訊號是連續發的，中間不需要停頓；如果出現超過 50 微秒的低電平，那麼WS28XX會認為你的訊號傳送完畢。如果資料線上有資料來就會從第一個燈珠開始進行處理（等於更新整個燈帶的資料）。

例如，有四個燈珠串聯，每個燈的RGB有24位，那麼，你需要向WS28XX連續傳送 24 * 4 = 96 位資料，資料傳送中不要停頓，所有資料都是連著發的—— 96位連續發，中間不用停頓；全部發完後再輸出50微秒左右的低電平表示結束髮送。

比如，紅色，RGB 是 255，0，0，那麼這24位就是：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

如果有三個燈珠，第一個燈珠設定為綠色，第二個燈珠為白色，第三個燈珠為藍色，那麼三組RGB為：

【0，255，0】【255，255，255】【0，0，255】。於是，72位二進位制為：

0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 1111 1111

在傳送的時候，這72位是連續傳送的，中間不需要延時，發完後把電平拉低，50 us後WS28XX就會認為你已經發完資料。

正如你所看到的，WS28XX 的通訊協議比較簡單。但是，問題出在它的時間很短。你如果純手動寫程式碼來改變電平的高低，要求程式有很高的效能。低配的微控制器可能不夠快，像樹莓派這樣的開發板，雖然處理器肯定比微控制器快，但是程式碼傳遞到系統驅動，再由驅動傳到底層硬體。而且每次切換電平需要來回兩次通訊，花的時間太長，都有可能超出 1.25 us 的週期。

所以，一般不採取直接寫GPIO電平的方式通訊，而是藉助硬體上所支援的協議。能夠做這事的硬體協議有倆：

1、PWM。這個估計大家能理解，前面老周說要記住那個通訊頻率，現在用上了。把PWM頻率設為 800 KHz，然後一個週期的時長就是 1.25 us。最後你一定猜到了，傳送1時，高電平持續0.85 us，佔空比 68%；傳送0時，高電平持續0.4 us，佔空比 32%。於是呢，不斷地改變佔空比，就能給WS28XX發訊號。許多方案是和DMA一起使用的，就是為了提高速度。.NET Iot 封裝的 PWM 不支援 DMA 方式，因此這個方案跳過。

2、SPI，這個方案是目前最優秀方案。.NET Iot 封裝的庫也是採用 SPI 協議。這是個巧妙利用，將SPI的 MOSI 口與燈帶的 Din 連線，讓 SPI 時序來控制燈珠。

為啥不用 IIC （I2C）呢？因為 IIC 要從機地址啊，我們又不是真的使用 IIC 裝置，所以這裡不適合。根據官方的示例，使用SPI時要設定以下幾個引數：

a、速率 2400 KHz，正好是 800 K 的三倍。於是乎，SPI 中 3 個二進位制位對應WS28XX中 1 個二進位制位。要傳送 1 ，SPI 寫入二進位制 110；要傳送 0 ，SPI 寫入二進位制 100。一個燈珠的資料是3位元組24位，那麼 SPI 就得寫入72位（9個位元組）。

b、SPI 模式選擇 Mode0。

c、資料長度為8位。

因為樹莓派是支援硬體 SPI 的，所以 SPI 方案是沒有問題的。若開發板沒有硬體 SPI（靠軟體模擬），就不能使用SPI方案了，速度跟不上。

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知道原理後，我們們可以動手做了。

第1步，引用 Iot.Device.Bindings 包（Nuget），依賴包 System.Device.Gpio 會自動引入，所以不用管它。

第2步，using 以下名稱空間：

using System.Device.Spi;
using System.Drawing;
using Iot.Device.Graphics;
using Iot.Device.Ws28xx;

第3步，初始化 SpiDevice 物件。

SpiConnectionSettings setting = new(0)
{
    Mode = SpiMode.Mode0,
    ClockFrequency = 2400_000,  //注意速率
    DataBitLength = 8
};

using SpiDevice spidev = SpiDevice.Create(setting);

把 ClockFrequency 設定為 2400,000 hz，原因前面解釋過。

第4步，老周買的燈帶是 WS2812B 晶片的，所以，例項化 WS28XX 時用 Ws2812b 類，大部分燈帶都是這個。

// 30表示使用30個燈珠，這個按實際來傳值，要用到50個燈珠，就傳50
const int LED_NUM = 30;
Ws28xx leds = new Ws2812b(spidev, LED_NUM);

老周現用來測試的燈帶是五米長的，150 個燈，但為了省電，只選擇了 30 個燈做實驗，你可以根據實際情況改程式碼。我們們這裡用的燈帶，所以只考慮寬度，高度忽略；如果用的是點陣屏，則要考慮高度，即幾行幾列。

第5步，準備七種常用顏色，待會我們們做色彩輪換效果。

Color[] colors =
{
    Color.Blue,         // 藍色
    Color.Yellow,       // 黃色
    Color.White,        // 白色
    Color.Red,          // 紅色
    Color.Green,        // 綠色
    Color.Pink,         // 粉色
    Color.Orange        // 橙色
};

第6步，色彩輪換，七種顏色輪著顯示。

// Color陣列中正在使用的索引
int theIndex = 0;

// 進入迴圈，開始溜燈
while (true)
{
    // 當表示索引的值超出陣列範圍後，重回0
    if (theIndex > colors.Length - 1)
    {
        theIndex = 0;
    }
    // 獲取點陣圖物件
    BitmapImage image = leds.Image;
    // 迴圈修改每個燈珠的顏色
    for (int x = 0; x < LED_NUM; x++)
    {
        // 更新畫素點（對應一個燈珠）
        image.SetPixel(x, 0, colors[theIndex]);
        // 呼叫更新，才會重新整理燈帶顯示
        leds.Update();
        Thread.Sleep(10);
    }
    theIndex++;
    Thread.Sleep(1000);
}