【Nano Framework ESP32篇】WS2812 彩色灯带实验

地球人皆知，许多物联网教程作者的心中都深爱着一灯大师，所以第一个例程总喜欢点灯，高级一点的会来个“一闪一闪亮晶晶”。老周今天要扯的也是和灯有关的，但不单纯地点个灯，那样实在不好玩，缺乏乐趣。老周打算舞个龙灯，哦不，是用 LED 彩色灯带给伙伴们整点炫酷乐子。

说到这LED彩灯，咱们常见到的有两类：

1、一卷一卷的灯带，灯带是软的，底部有背胶，可以随意贴（贴电脑机箱，贴储物柜，贴手办展示盒……）；

2、点阵屏，其实跟灯带一个样，只是有个框架，做成矩阵。如 3 * 3、4 * 4 等。

驱动 IC 一般是 WS2812，此货体积甚小，便于寄生于每个灯珠内。所以，每个LED灯珠都可以单独控制。而且 WS2812 允许你把灯珠串联起来，发送给它的数据可以连续设置多个灯珠。颜色由 RGB 控制，即 24 位——设置灯珠颜色要向 WS2812 发送3个字节的数据。

其实，WS2812的驱动协议不那么复杂，随便查查资料就能懂的了。当然，Nano Framework 已经有封装好的驱动，咱们不需要自己写协议。对于 ESP32，有两种驱动方案：

1、SPI 方式，此法各种开发板通用。曾记否？老周写过在树莓派生用 SPI 驱动 WS2812 的水文；

2、RMT 方式，许多 ESP32 模组都支持RMT，可以用它来驱动 WS2812。RMT 说白了就是用来发送和接收红外编码的，比如，电视遥控器、电动马桶遥控器等（空调遥控器好像特殊一些，很多模块都解码不了）。RMT 由于可以在同一周期内设定高、低电平的持续时间，使得它也能用于驱动 WS2812。

实际上，PWM 也可以的，因为一个周期内的占空比也能设定高、低电平的持续时间。只是，在 PWM 连续发生时要频繁地更改占空比，对开发板的速度有要求，还要确保代码执行得够快。Nano Fw 毕竟是封装过的，性能上会有损失的。虽然使用第三方框加会带来一些性能上的削弱，但在应用层可以提升开发效率，就像写普通 .NET 程序那样。两者总是要有一个平衡的。当然了，还是那句话，如果用其他框架做不到的事情，就必须用官方的 idf 了。性能上肯定比脚本语言高的。

好了，基本理论准备完毕，接下来，咱们开始整活。

先来看看如何用 RMT 来驱动 WS2812 的。因为这个比较新奇，所以先介绍它。红外编码协议可能会劝退不少伙伴，但，你不必担心，毕竟咱们这里不是真的用红外通信，只是借助接口协议来给 WS2812 发数据罢了，不会涉及协议编码的。而且，Nano Framework 已经封装好了，用来很省事，初始化只需要一条 new 语句就完事了。

A、硬件部分，ESP32 模块你可随意，只要有引出相关IO口就行，接口少也不要紧的，因为咱们顶多用一两根线（不含供电）。然后就是RGB灯带或者点阵屏。其实这两者本质上一样。老周这个灯带就是当初写树莓派文章时用的那个，ESP32 也是 3.6 年前买的，放在柜子里吃了几年尘螨。现在拿出来给大伙做演示，居然还能用，这质量可以的。

现在新点的开发板很多是 Type-C 接口的，不过老周这个毕竟是几年前的，是 Micro USB 接口的。啥接口没关系，可能就是找数据线麻烦些，现在很多手机是 C 口的。不过老周家里啥线都有，全都是绿联的。你没看错，老周所有数据线和转换器都是用绿联的。这不是广告，就是质量好。老周家里就是这样的：风扇是美的，因为电机静音；线材绿联的，墙插排插都是公牛的；音响器材铁三角或漫步者……老周不买小米的，小米其实就跟京东京造差不多，万能贴牌。老周记得，买硬盘唯一一次翻车的就是京造的。那个硬盘现在搭在树莓派上，专门放魔法少女动画片。

又扯远了，下面是步骤：

1、启动 VS；

2、新建 Nano 项目，选 Blank Application 项目模板就行了；

3、打开 Nuget 包管理器（方法自己百度），搜索 ws28xx esp32，然后你会找到一个【nanoFramework.Iot.Device.Ws28xx.Esp32】包。没错，它是专为 ESP32 封装，开箱即用（使用时引入 Iot.Device.Ws28xx.Esp32 命名空间）。

4、安装 nanoFramework.Iot.Device.Ws28xx.Esp32 包及相关依赖（一般自动安装）；

这里介绍一下几个关键类。首先是 WS 芯片的公共基类 Ws28xx，在实例化时，咱们可以根据所使用的芯片选择派生类：Ws2812b 、Ws2812c、Sk6812 等，WS2812B 和 WS2812C 比较常见。至于你买的灯带是哪个 IC，还真不好说，比如老周这个其实是 WS2812C，可以卖家的商品介绍标注的是 WS2812B。问客服也没用的，多数是一问摇头三不知。客服客服，毫不客气地让你服得三观倒置。

这个可以上机测试，如果灯珠点亮后与你设置的颜色不对，可以换个类，比如，用 WS2812b 的结果不正确，可以换成 WS2812c 来试。WS2812b 和 WS2812c 的红色和绿色好像是反过来的。

接线就简单了，一根接 5V（没5V接口就接 3.3，或者单独供电），数据线只有一根，这里老周用 0 口，即 GPIO 0。你可以随便选其他接口，比如官方示例用的 GPIO 15。

public class Program
{
    const int PxCount = 16;     // 有多少个灯珠
    const int DelayMS = 10;     // 延时多少ms
    const int DataPin = 0;      // 使用哪个IO口

    // 入口点
    public static void Main()
    {
        Ws28xx ws28xx = new Ws2812c(DataPin, PxCount);
        BitmapImage bmp = ws28xx.Image;
        //ws28xx.ClockDivider = 2;
        //ws28xx.ResetCommand = new RmtCommand(1800, false, 1850, false);
        //ws28xx.OnePulse = new RmtCommand(35, true, 16, false);
        //ws28xx.ZeroPulse = new(14, true, 34, false);
        //Debug.WriteLine($"分频：{ws28xx.ClockDivider}");

        int i = default;
        int index1, index2;     // 要设置的灯珠索引
        while (true)
        {
            // 从两边向中间靠拢
            for (i = 0; i < PxCount / 2; i++)
            {
                // 每次设置两颗灯珠
                index1 = i;
                index2 = PxCount - 1 - i;
                bmp.SetPixel(index1, 0, Color.Red);
                bmp.SetPixel(index2, 0, Color.Red);
                ws28xx.Update();    // 更新
                Thread.Sleep(DelayMS);
            }
            // 从中间向两侧扩散
            for (i = PxCount / 2 - 1; i >= 0; i--)
            {
                index1 = i;
                index2 = PxCount - 1 - i;
                bmp.SetPixel(index1, 0, Color.Blue);
                bmp.SetPixel(index2, 0, Color.Blue);
                // 更新
                ws28xx.Update();
                Thread.Sleep(DelayMS);
            }
        }
    }
}

Ws2812c 类的构造函数有三个参数：1、你用的IO号；2、宽度；3、高度。这里的宽高即灯珠个数，此处老周只点16个灯，多了怕供电不足（其实可以点更多灯珠）。第三个参数默认是1，所以如果高为1可以忽略。这个宽和高啥意思呢？对于灯带来说，你可以认为它永远只有一行，但有 N 列（N 是无限大正整数），即 width = N, height = 1。而点阵屏是矩阵，所以用点阵屏就可以设置宽和高。

Ws28xx类公开 Image 属性，类型为 BitmapImage 类（也是个通用基类）。咱们可以把LED彩灯视作一张位图，每个灯珠就是一个像素。所以，设置某个灯的颜色就要调用 SetPixel 方法，参数是x、y坐标，以及颜色。这个和普通 .NET 程序操作一样。

这个示例，老周实现的效果是：

1、红灯的点亮顺序是从两边往中间靠拢；

2、蓝灯的点亮顺序是从中间向两边扩展。

每当你修改了位图的数据，只是存在内存中，只有调用 WsXXX 实例的 Update 方法才会正式将数据发送出去。

这个点灯算法其实很简单，咱们学过数学，在等差数列中，1+n=2+(n-1)=3+(n-3)。本例中，16个灯，一半就是8，而索引是从0开始的，所以是7，即全序列的索引是 0 到 15，于是得到：0+15=15，1+14=15，2+13=15，3+12=15 …… 7+8=15。每次循环我们就设置相加等于最大索引的那两个灯。这样就能实现从中间向两边展开，顺序反过来就实现从两边向中间收拢。

运行的效果如下图所示。

细心的大伙伴会发现，上面的代码中有几行被注释掉了。这些代码用来设置参数的。不过 WS2812x 类会默认为咱们设置，除非发现默认设置的参数不正确时才要修改，

1、设置分频的分母。

ws28xx.ClockDivider = 2;

ClockDivider 用于设置分频，默认是2。目前支持的时钟是APB（外设的高级总线），频率是 80 MHz，分频2表示除以2=40MHz。也就是一个 Tick 的时间为 1/40000000 = 0.000000025 秒，换算为 0.025 微秒（us）。为什么分频不用 80 呢，这样一 Tick 就是 1 us岂不美哉？因为 WS28XX 的时序很短，比如发送 1 时，高电平持续时间为 0.7 us，低电平持续时间为 0.6 us，总时长在 1.3 us 左右。不过这类IC的时序有很多种版本，时序没有精确的时长。不管怎么说，这时间是要精确到 0.01 us的，所以，分频为80只精确到 1 us 显然不够用。分频为2精确到 0.025 us，基本能对付过去了。

2、设置高、低电平的持续时间。

ws28xx.ResetCommand = new RmtCommand(1800, false, 1850, false);
ws28xx.OnePulse = new RmtCommand(35, true, 16, false);
ws28xx.ZeroPulse = new(14, true, 34, false);

RmtCommand 类的构造函数是这样的：

RmtCommand(ushort duration1, bool level1, ushort duration2, bool level2)

咱们可以这样理解：一个周期内有两个电平，level1 和 level2，如果是true就是高电平否则低电平；duration1 描述 level1 的持续时间，duration2 描述 level2 的持续时间。假设持续时间是 100，如果分频是80，那么正好是 1us，可是咱们分频是2，就变成 100*0.025 us 了。毕竟分频后会变慢。

接下来看看 SPI 实现。

SPI 方案主要是用到了 MOSI 接口，虽然在初始化 SPI 总线时会设置几个引脚，但实际上只连接 MOSI 即可。

 // 设置引脚的功能
 Configuration.SetPinFunction(23, DeviceFunction.SPI1_MOSI);
 Configuration.SetPinFunction(19, DeviceFunction.SPI1_MISO);
 Configuration.SetPinFunction(18, DeviceFunction.SPI1_CLOCK);
 // 这里有两个参数：第一个是SPI总线ID，第二个是片选引脚，-1表示不使用
 SpiConnectionSettings cset = new(1, -1)
 {
     Mode = SpiMode.Mode0,
     ClockFrequency = 2400000,   // 通信频率
     DataBitLength = 8
 };
 // 初始化SPI设备
 SpiDevice spidev = SpiDevice.Create(cset);

 Ws28xx ws2812 = new Ws2812b(spidev, PxCount);
 // 获取图像对象
 var bmp = ws2812.Image;

 int i = default;
 // 进入循环
 while (true)
 {
     for(i=0; i<PxCount; i++)
     {
         bmp.SetPixel(i, 0, Color.Blue);
         ws2812.Update();
         Thread.Sleep(DelayMS);
     }
     for(i=PxCount -1 ; i >= 0;i--)
     {
         bmp.SetPixel(i, 0, Color.Red);
         ws2812.Update();
         Thread.Sleep(DelayMS);
     }
     for(i=0; i<PxCount; i++)
     {
         bmp.SetPixel(i,0,Color.Green);
         ws2812.Update();
         Thread.Sleep(DelayMS);
     }
     for(i=PxCount -1 ;i >= 0;i--)
     {
         bmp.SetPixel(i, 0, Color.WhiteSmoke);
         ws2812.Update();
         Thread.Sleep(DelayMS);
     }

 }

SPI 方式稍麻烦一点，用到的IO口有 18、19、23，而灯带只需连接 23 即可。注意在设置引脚功能时，如果选择 SPI1_MOSI、SPI1_CLOCK 等值，那说明用的是 SPI_1，在实例化 SpiConnectionSettings 对象时，busid 参数就是 1；如果设置功能时使用的是 SPI2_MOSI、SPI2_MISO、SPI2_CLOCK，那么实例化 SpiConnectionSettings 时 busid 是 2。虽然 ESP32 有四路 SPI，但前两路内部保留的，外设只用后两个，即 HSPI 和 VSPI，这两个名字也够奇葩的，其实用起来是一样。这破名字容易使人误认为 VSPI 是虚拟SPI，HSPI 是硬件SPI。

咱们在程序代码中指定的 SPI_1 和 SPI_2 就是 HSPI 和 VSPI。

本示例使用 32 个灯珠，在一轮循环中做四次填充：

1、从头到尾，填充蓝色；

2、从尾到头，填充红色；

3、从头到尾，填充绿色；

4、从尾到头，填充烟白色。

效果如下：

好了，今天就水到这里了。