STM32F103 驱动 WS281x 灯珠的三种方式详解（普通 IO / SPI+DMA / PWM+DMA）
WS281x（常见型号 WS2812B / SK6812）是一种集成了 LED 与驱动芯片的智能 RGB 灯珠，通过 单总线协议 完成颜色控制。该协议虽然只有一个数据线，但对 时序要求非常严格，这也是驱动时常被认为“麻烦”的原因。
本文总结在 STM32F103 平台驱动 WS281x 的 三种常用方式：
- 普通 IO 模拟时序
- SPI + DMA 模拟控制波形
- PWM + DMA 调占空比输出
并结合项目实践，给出 Example 示例工程，用于串口/CAN 控制 LED。
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1. WS281x 通信时序简介
WS281x 的控制信号为 单线时序编码，数据格式为：
G R B
每个颜色 8bit，共 24bit
关键点在于 高电平时间长度代表 0 / 1：
| 码值 | 高电平时间 | 低电平时间 | 周期 |
|---|---|---|---|
| 0 | T0H ≈ 0.35 μs | T0L ≈ 0.8 μs | 1.25 μs |
| 1 | T1H ≈ 0.7 μs | T1L ≈ 0.6 μs | 1.25 μs |
且一帧数据输出结束后需 >50 μs 的低电平复位时间。
2. 普通 IO 模拟时序（Bit-Banging）
原理
直接通过 GPIO_SetBits() / GPIO_ResetBits() + NOP 延时 模拟高低电平。
优点
- 实现简单
- 无需额外外设资源
缺点
- CPU 占用高
- 中断、调度会破坏时序
- LED 数量增加后容易失稳
适用场景
- 灯珠少、逻辑简单的项目，例如测试样例、小装饰。
3. SPI + DMA 模拟时序
原理
利用 SPI 的固定时钟来生成近似 WS281x 的波形。
每一位 WS281x 数据需要映射为 8bit SPI 数据：
| WS281x 位值 | SPI 输出（示例） | HEX |
|---|---|---|
| 0 | 11100000 | 0xE0 |
| 1 | 11111000 | 0xF8 |
SPI 时钟设置为 SPI 分频后 ≈ 2.4MHz（可根据波形微调）。
优点
- CPU 不参与传输
- 输出波形稳定，不受中断影响
- 适合大量灯珠
缺点
- 不同 MCU / Freq 下需要重新计算 SPI 时钟与编码
- 数据量比原始像素数据 膨胀 8 倍
使用流程
RGB 数据 → 按位编码成 SPI buffer → SPI DMA 发送 → 结束后延时复位
4. PWM + DMA 调占空比方式（推荐）
原理
配置 PWM 输出频率 = 800kHz（即 1.25 μs 周期），通过改变 CCR 占空比 来控制高电平长度：
| WS281x 位值 | 占空比 | 示例 CCR 值（TIM_ARR=100） |
|---|---|---|
| 0 | ~33% | 33 |
| 1 | ~66% | 66 |
DMA 负责自动把所有 CCR 数据 依次写入定时器。
优点（最优解）
- 波形精确、稳定性高
- 数据量较小
- 适合 大规模灯带
缺点
- 依赖定时器资源
- 需要正确处理 DMA 传输完成中断避免显示异常
5. Example 示例工程说明
在项目的 Example 文件夹中提供两个完整实例：
| 示例 | 通信方式 | 说明 |
|---|---|---|
| Example 1 | 串口控制 LED | 通过串口命令控制 LED 颜色与模式 |
| Example 2 | CAN 回环控制 LED | 使用串口发送 → CAN 回环接收 → 控制 LED |
第二个例子用于 单机调试，无需两块板子，即可验证 CAN 驱动 LED 是否正常。
总结
| 驱动方式 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 普通 IO | 简单直接 | 时序不稳定 / CPU 占用高 | 简单灯光，调试用 |
| SPI+DMA | 波形稳定 / CPU 低占用 | 数据膨胀 / SPI 时钟需精调 | 中等数量灯带 |
| PWM+DMA | 最稳定 / 最通用 / 扩展性强 | 需要定时器资源 | 大批量灯带 / 正式项目 |
在实际商业项目中，优先推荐 PWM+DMA 驱动方案。
本篇文章分别介绍了在 STM32F103 平台上驱动 WS281x 灯珠的三种常见方式：普通 IO 模拟时序、SPI+DMA 编码输出以及 PWM+DMA 调占空比方式。其中，普通 IO 方法实现简单但时序稳定性差，更适用于测试验证；SPI+DMA 可以显著降低 CPU 占用，输出波形稳定，但需要进行数据膨胀编码；而 PWM+DMA 方案可以在硬件层面精准控制高电平宽度，具备最优秀的时序稳定性和扩展能力，是实际工程中最推荐的方案。配合 DMA 自动传输，可轻松驱动大量灯珠而不占用 CPU 资源。实际项目中应根据资源占用、灯珠数量以及系统实时性要求选择合适的实现方式，并根据示例工程进行灵活应用与拓展。
