.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX怎么實現

本篇內容介紹了“.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX怎么實現”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

彩色燈帶，相信不用老周多說，大家都知道，沒準你家里的燈墻里面就有。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，因此老周家里沒使用燈帶。不過，像柜子后面，顯示器后面，書桌邊沿這些地方，可以貼彩色燈帶。書架上也貼了一些，因為那個書架是圣誕樹形狀的，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接頭，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序來控制燈帶的色彩。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穩壓板即可輕松解決。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。

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

控制命令比較簡單，全用文本格式，客戶端只要發送滿足格式要求的命令到 ESP32 即可。比如，發送

SET+255 125 127

首先識別出“SET+”，后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

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，燈帶剪開后只需要串聯好就行，燈帶末端不需要連接回路，WS28XX 自帶回路。

WS28XX 的時序其實很簡單，+5V 和 GND 是供電接口，剩下一根數據線來傳輸信號，所以這貨是單數據線控制的。當N個燈珠串聯起來后，第一個燈珠的 Din 輸入信號，Dout 輸出信號；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，各為一個字節，8位，三個值合起來 24 位，所以每個燈珠的數據為24位，3個 byte。對于每個二進制位，WS28XX 是通過單周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。在一個脈沖周期內，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，那么就是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，那么就是1。

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

請記住這個頻率，后面有用。

WS28XX的信號是連續發的，中間不需要停頓；如果出現超過 50 微秒的低電平，那么WS28XX會認為你的信號發送完畢。如果數據線上有數據來就會從第一個燈珠開始進行處理（等于更新整個燈帶的數據）。

例如，有四個燈珠串聯，每個燈的RGB有24位，那么，你需要向WS28XX連續發送 24 * 4 = 96 位數據，數據發送中不要停頓，所有數據都是連著發的—— 96位連續發，中間不用停頓；全部發完后再輸出50微秒左右的低電平表示結束發送。

比如，紅色，RGB 是 255，0，0，那么這24位就是：

1111 1111 0000 0000 0000 0000

如果有三個燈珠，第一個燈珠設置為綠色，第二個燈珠為白色，第三個燈珠為藍色，那么三組RGB為：

【0，255，0】【255，255，255】【0，0，255】

于是，72位二進制為：

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

在發送的時候，這72位是連續發送的，中間不需要延時，發完后把電平拉低，50 us后WS28XX就會認為你已經發完數據。

 正如你所看到的，WS28XX 的通信協議比較簡單。但是，問題出在它的時間很短。你如果純手動寫代碼來改變電平的高低，要求程序有很高的性能。低配的單片機可能不夠快，像樹莓派這樣的開發板，雖然處理器肯定比單片機快，但是代碼傳遞到系統驅動，再由驅動傳到底層硬件。而且每次切換電平需要來回兩次通信，花的時間太長，都有可能超出 1.25 us 的周期。

所以，一般不采取直接寫GPIO電平的方式通信，而是借助硬件上所支持的協議。能夠做這事的硬件協議有倆：

1、PWM。這個估計大家能理解，前面老周說要記住那個通信頻率，現在用上了。把PWM頻率設為 800 KHz，然后一個周期的時長就是 1.25 us。最后你一定猜到了，發送1時，高電平持續0.85 us，占空比 68%；發送0時，高電平持續0.4 us，占空比 32%。于是呢，不斷地改變占空比，就能給WS28XX發信號。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 不支持 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 封裝的庫也是采用 SPI 協議。這是個巧妙利用，將SPI的 MOSI 口與燈帶的 Din 連接，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 設備，所以這里不適合。根據官方的示例，使用SPI時要設置以下幾個參數：

a、速率 2400 KHz，正好是 800 K 的三倍。于是乎，SPI 中 3 個二進制位對應WS28XX中 1 個二進制位。要發送 1 ，SPI 寫入二進制 110；要發送 0 ，SPI 寫入二進制 100。一個燈珠的數據是3字節24位，那么 SPI 就得寫入72位（9個字節）。

 b、SPI 模式選擇 Mode0。

c、數據長度為8位。

因為樹莓派是支持硬件 SPI 的，所以 SPI 方案是沒有問題的。若開發板沒有硬件 SPI（靠軟件模擬），就不能使用SPI方案了，速度跟不上。

知道原理后，咱們可以動手做了。

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 以下命名空間：

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

第3步，初始化 SpiDevice 對象。

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

把 ClockFrequency 設置為 2400,000 hz，原因前面解釋過。

第4步，老周買的燈帶是 WS2812B 芯片的，所以，實例化 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代碼。咱們這里用的燈帶，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，待會咱們做色彩輪換效果。

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數組中正在使用的索引
int theIndex = 0;
// 進入循環，開始溜燈
while (true)
{
    // 當表示索引的值超出數組范圍后，重回0
    if (theIndex > colors.Length - 1)
    {
        theIndex = 0;
    }
    // 獲取位圖對象
    BitmapImage image = leds.Image;
    // 循環修改每個燈珠的顏色
    for (int x = 0; x < LED_NUM; x++)
    {
        // 更新像素點（對應一個燈珠）
        image.SetPixel(x, 0, colors[theIndex]);
        // 調用更新，才會刷新燈帶顯示
        leds.Update();
        Thread.Sleep(10);
    }
    theIndex++;
    Thread.Sleep(1000);
}

可以把一個燈珠視為一個像素，先從 Image 屬性中獲得對 BitmapImage 對象的引用，然后用 SetPixel 方法來設置每個燈的顏色。這里因為用的是燈帶，所以 y 坐標都是 0，僅改變 x 坐標上的值。

修改完顏色后，如果想燈珠馬上更新，請調用 Update 方法。

最后，強調一下：接線時，樹莓派的 MOSI 接燈帶的數據接口（Din 或 Di）。

 如果SPI不能用，請執行 sudo raspi-config，然后進入“Interface Options”，確認 SPI 總線啟用。

 看看最終效果。

【補充】如果出現程序運行幾秒鐘就“卡死”的情況，那是SPI被系統降頻了所致。若遇到此問題，可以在 config.txt 文件中修改 GPU 超頻參數。

sudo nano /boot/config.txt

加上這兩行：

core_freq=250
core_freq_min=250

或者

core_freq=500
core_freq_min=250

這樣配置后，至少保證了 GPU 內核在空閑時的頻率不低于 250 MHz。

“.NET與樹莓派控制彩色燈帶WS28XX怎么實現”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！