CN111818699A - 一种rgb-led光源的控制方法和控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种RGB‑LED光源的控制方法和控制电路。方法包括以下步骤：接收用于驱动至少一个RGB‑LED光源的外部控制信号，并将外部控制信号的控制数据变换为用于模拟每个RGB‑LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据；将SPI数据传输至SPI外设，并通过SPI外设的MOSI信号线将SPI数据传输至每个RGB‑LED光源的控制芯片。本发明通过微处理器处理数据拆分的任务，而将时序整形转为外设时钟发生器控制，因此不需要再频繁操作通用输出口进行时序整形，很大程度上节约了微处理器的计算资源。
Description
【技术领域】
本发明涉及智能控制领域，尤其涉及一种RGB-LED光源的控制方法和控制电路。
【背景技术】
全彩LED光源在现代照明以及装饰领域运用得越来越广泛。WS2812是一个集控制电路与发光电路于一体的可独立寻址的RGB全彩光源，每个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，控制数据协议采用单线归零码的通讯方式，像素点在上电复位以后，DIN端接受从控制器传输过来的数据，首先送过来的24bit数据被第一个像素点提取后，送到像素点内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过DOUT端口开始转发输出给下一个级联的像素点，每经过一个像素点的传输，信号减少24bit。其像素点采用自动整形转发技术，使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制，仅仅受限信号传输速度要求。在使用过程中，作为控制端的微处理器需要模拟LED光源0码和1码的时序波形，并在相应的数据传输时间结束后即时翻转高低电平的输出，从而达到整形控制目的。在通常使用场景中，微处理器在极短的指令周期中，需要频繁操作通用输出口进行时序整形，因此相当耗费CPU计算资源。
【发明内容】
本发明提供了一种RGB-LED光源的控制方法和控制电路，解决了以上所述的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种RGB-LED光源的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，并将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据；
步骤2，将所述SPI数据传输至SPI外设，并通过所述SPI外设的MOSI信号线将所述SPI数据传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
在一个优选实施方式中，所述将外部控制信号的控制数据转化为用于模拟对应时序波形的SPI数据，具体为：当控制数据中对应RGB-LED光源所需为0码时，将0码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为1:2；当控制数据中对应RGB-LED光源所需为1码时，将1码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为2:1。
在一个优选实施方式中，所述RGB-LED光源的型号为WS2812。
在一个优选实施方式中，所述SPI外设的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps。
在一个优选实施方式中，所述外部控制信号用于驱动多个RGB-LED光源，所述通过SPI外设的MOSI信号线将SPI数据传输至每个RGB-LED光源的控制芯片具体为：SPI外设的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，所述第一个RGB-LED光源的控制芯片进行目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。
本发明实施例的第二方面提供了一种RGB-LED光源的控制电路，包括包括至少一个RGB-LED光源、微处理器以及与所述微处理器的串行外围设备接口相连接的SPI外设，
所述微处理器用于接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，并将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据；
所述SPI外设用于接收并存储所述SPI数据，以及将所述SPI数据通过MOSI信号线传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
在一个优选实施方式中，所述微处理器包括数据拆分单元，所述数据拆分单元用于当控制数据中对应RGB-LED光源所需为0码时，将0码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为1:2；当控制数据中对应RGB-LED光源所需为1码时，将1码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为2:1。
在一个优选实施方式中，所述RGB-LED光源的型号为WS2812。
在一个优选实施方式中，所述SPI外设的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps。
在一个优选实施方式中，所述外部控制信号用于驱动多个串联的RGB-LED光源，所述SPI外设的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，所述第一个RGB-LED光源的控制芯片进行目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。
本发明提供了一种RGB-LED光源的控制方法和控制电路，其中微处理器仅处理数据拆分的任务，而将时序整形转为外设时钟发生器控制，因此不需要再频繁操作通用输出口进行时序整形，很大程度上节约了微处理器的计算资源。
为使发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是实施例1提供的RGB-LED光源的控制方法的流程示意图；
图2为WS2812的颜色数据结构图；
图3为WS2812的时序波形图；
图4是实施例2提供的RGB-LED光源的控制电路的连接示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
图1是实施例1提供的RGB-LED光源的控制方法的流程示意图，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，并将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据；
步骤2，将所述SPI数据传输至SPI外设，并通过所述SPI外设的MOSI信号线将所述SPI数据传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
以上实施例提供了一种RGB-LED光源的控制方法，通过微处理器处理数据拆分的任务，而将时序整形转为外设时钟发生器控制，因此不需要再频繁操作通用输出口进行时序整形，很大程度上节约了微处理器的计算资源。
以下通过型号WS2812的RGB-LED光源对上述过程进行详细说明。WS2812包括电源引脚VDD、地引脚VSS以及数据输入引脚DIN和数据输出引脚DOUT，在常规使用过程中，只需要将一个LED的DOUT引脚连接到下一个LED的DIN引脚就可以将多个LED串接起来了。此时，DIN引脚和DOUT引脚中跑的是每个全彩LED的颜色信号，可使用1个字节(8bit)代表红绿蓝每种基色的值，这样用3个字节即24bit就可以表示一个LED灯的一种颜色了，具体如图2所示。
图2中G7-G0表示绿色的值，数值范围为0–255，R7-R0表示红色的值，数值范围为0-255，B7-B0表示蓝色的值，数值范围为0–255。具体数据发送采用串行的发送方式，即将每个LED的24bit数据按照上图2从左至右的顺序，逐bit发送，先发送G7,接下来发G6,G5…直到B0，而第一个LED接收并存储自己的颜色数据后，将剩余的所有数据都从DOUT发送给第二个LED，第二个LED接收并存储自己的颜色数据后，将剩余的所有数据都从DOUT发送给第三个LED，以此类推，从而将所有LED的颜色数据传输完毕。
同时，WS2812采用了单线不归零码的传输协议，即每个bit数据都要求0，1反转一次，以高电平(1信号)的时长确定本bit到底是0还是1。同时，固定每bit数据的时间长度，这样接收端就可以辨认出每个bit数据了，具体时序波形如图3所示，其中1码高电平时间为580ns～1us，1码低电平时间为220ns～420ns，0码高电平时间为220ns～380ns，0码低电平时间为580ns～1us。因此需要微处理器模拟每个LED对应控制数据中0码和1码的时序波形，并在数据传输时间结束后翻转高低电平的输出，进行时序整形。
而本实施例采用SPI外设模拟以上所述时序波形，具体来说，当控制数据中对应RGB-LED光源的颜色比特为0码时，将0码拆分为3bits，其中高低电平的时间比例为1:2，即将0码拆分为100。当控制数据中对应RGB-LED光源的颜色比特1码时，将1码拆分为3bits，其中高低电平的时间比例为2:1，即将1码拆分为110。这样，每个LED的24bit颜色数据最终将转换为9字节SPI数据，相比将每个颜色比特拆分为4bits形成12字节SPI数据或者拆分为8bits形成24字节SPI数据将大大减少数据量。同时，根据RGB-LED光源的速率传输要求对SPI的时钟频率进行设置，比如WS2812的速率传输要求为800K，而SPI每3个位长表示1位WS2812，因此考虑到误差等情况，可将SPI外设的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps，从而使SPI 3个位长的时间周期与WS2812的一个位长的周期一致，满足WS2812的时序需求。当然在其他实施例中，也可以将0码和1码拆分为6个位长或者9个位长，同时将SPI外设的时钟频率设置为5Mbps或者7.5Mbps，也可以实现本发明的技术效果。具体数据传输过程中，SPI外设存在一个串行移位寄存器，主机通过向它的串行移位寄存器写入以上所述9字节SPI数据，从而通过SPI外设的MOSI信号线将SPI数据依次传输至每个像素点。优选实施例中，SPI外设的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据先全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，因为DMA不会影响CPU的执行周期而是直接访问内存，因此可以避免程序的不稳定导致的数据异常或者拖慢CPU的实际运算频率。所述第一个RGB-LED光源的控制芯片对全部SPI数据中与该控制芯片相对应的目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的第二个RGB-LED光源的控制芯片，第二个RGB-LED光源的控制芯片对剩余SPI数据中与该控制芯片相对应的目标SPI数据进行截取并保存后同样将剩余SPI数据继续发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，以此类推，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。比如一个灯环包括24盏LED灯，那么需要24*9＝216字节的SPI缓存，通过DMA一次可将该216字节的SPI数据依次发送至每个LED灯。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图4是实施例2提供的RGB-LED光源的控制电路的连接示意图，如图4所示，包括至少一个RGB-LED光源300、微处理器100以及与所述微处理器100的串行外围设备接口相连接的SPI外设200，
所述微处理器100用于接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据，并将所述SPI数据通过所述串行外围设备接口发送至所述SPI外设200；
所述SPI外设200用于接收并存储所述SPI数据，以及将所述SPI数据通过MOSI信号线传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
在一个优选实施方式中，所述微处理器100包括数据拆分单元101，所述数据拆分单元101用于当控制数据中对应RGB-LED光源所需为0码时，将0码拆分为3bits，其中高低电平的时间比例为1:2；当控制数据中对应RGB-LED光源所需为1码时，将1码拆分为3bits，其中高低电平的时间比例为2:1。
在一个优选实施方式中，所述RGB-LED光源300的型号为WS2812。
在一个优选实施方式中，所述SPI外设200的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps。
在一个优选实施方式中，所述外部控制信号用于驱动多个串联的RGB-LED光源300，所述SPI外设200的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，所述第一个RGB-LED光源的控制芯片进行目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。
Claims (10)
1.一种RGB-LED光源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，并将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据；
步骤2，将所述SPI数据传输至SPI外设，并通过所述SPI外设的MOSI信号线将所述SPI数据传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
2.根据权利要求1所述RGB-LED光源的控制方法，其特征在于，所述将外部控制信号的控制数据变换为用于模拟至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据，具体为：当控制数据中对应RGB-LED光源所需为0码时，将0码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为1:2；当控制数据中对应RGB-LED光源所需为1码时，将1码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为2:1。
3.根据权利要求2所述RGB-LED光源的控制方法，其特征在于，所述RGB-LED光源的型号为WS2812。
4.根据权利要求3所述RGB-LED光源的控制方法，其特征在于，所述SPI外设的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps。
5.根据权利要求1-4任一所述RGB-LED光源的控制方法，其特征在于，所述外部控制信号用于驱动多个RGB-LED光源，所述通过SPI外设的MOSI信号线将SPI数据传输至每个RGB-LED光源的控制芯片具体为：SPI外设的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，所述第一个RGB-LED光源的控制芯片进行目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。
6.一种RGB-LED光源的控制电路，其特征在于，包括至少一个RGB-LED光源、微处理器以及与所述微处理器的串行外围设备接口相连接的SPI外设，
所述微处理器用于接收用于驱动至少一个RGB-LED光源的外部控制信号，将所述外部控制信号的控制数据变换为用于模拟所述至少一个RGB-LED光源中每个RGB-LED光源0码和/或1码对应时序波形的SPI数据，并将所述SPI数据通过所述串行外围设备接口发送至所述SPI外设；
所述SPI外设用于接收并存储所述SPI数据，以及将所述SPI数据通过MOSI信号线传输至每个RGB-LED光源的控制芯片。
7.根据权利要求6所述RGB-LED光源的控制电路，其特征在于，所述微处理器包括数据拆分单元，所述数据拆分单元用于当控制数据中对应RGB-LED光源所需为0码时，将0码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为1:2；当控制数据中对应RGB-LED光源所需为1码时，将1码拆分为3个位长，其中高低电平的时间比例为2:1。
8.根据权利要求7所述RGB-LED光源的控制电路，其特征在于，所述RGB-LED光源的型号为WS2812。
9.根据权利要求8所述RGB-LED光源的控制电路，其特征在于，所述SPI外设的时钟频率设置为2.25Mbps-2.5Mbps。
10.根据权利要求6-9任一所述RGB-LED光源的控制电路，其特征在于，所述外部控制信号用于驱动多个串联的RGB-LED光源，所述SPI外设的MOSI信号线采用DMA方式将所述SPI数据全部发送至第一个RGB-LED光源的控制芯片，所述第一个RGB-LED光源的控制芯片进行目标SPI数据截取并保存后将剩余SPI数据发送至相串联的下一个RGB-LED光源的控制芯片，直至所有的SPI数据分别被对应RGB-LED光源的控制芯片截取并保存完成。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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