RP2040 PIO 驱动 WS2812 彩灯：从原理到 MicroPython 实现

1.WS2812 LED 介绍

WS2812 LED 是 Neopixel 可单独寻址的 RGB LED 中的一种，我们可以通过单个数据线来实现多个 WS2812 RGB 三色灯的控制。WS2812 的工作原理是通过单根数据线,将 24 bit 的 RGB 颜色数据逐个传输到每个灯珠。每个 WS2812 芯片都包含一个位移寄存器,用于接收和转发数据。当接收到一帧完整的 RGB 数据后,该灯珠就会显示对应的颜色。通过串联多个 WS2812 灯珠,可以组成灵活可编程的 LED 灯带、 LED 矩阵等。常见的应用包括装饰照明、LED 显示屏、智能灯具等。

1280X1280.PNG

WS2812 的主要特点包括:

  • 集成度高：一个 WS2812 灯珠内集成了 RGB 三色 LED 和控制芯片,只需要单根数据线即可控制
  • 串联控制：多个 WS2812 灯珠可以串联使用,形成 LED 灯带或 LED 阵列
  • 编程控制：通过编程控制数据信号,可以实现对每个 LED 的独立调光和颜色控制
  • 低功耗：工作电压为 5V，单个 LED 功耗仅 60mW
  • 高亮度：LED 发光亮度高,最大亮度可达 6500~8000mcd
  • 小尺寸：封装体积仅 5.0mm x 5.0mm x 1.6mm

WS2812 有四个引脚，功能如下：

1280X1280 (1).PNG

它采用单极性归零码的通讯方式，每一个码元都必须有低电平：

1280X1280 (2).PNG

ScreenShot_2026-06-09_190423_207.png

芯片在上电复位以后，DIN 端接收从控制器传输过来的数据：

  1. 首先送过来的 24 bit 数据被第一个芯片提取后，送到芯片内部的数据锁存器
  2. 芯片内部的数据锁存器根据接收到的 24 bit 数据，在 OUTR、OUTG、OUTB 控制端产生不同的占空比控制信号，使得 LED 产生不同颜色
  3. 剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后，通过 DO 端口开始转发输入给下一个级联的芯片，每经过一个芯片的传输，信号减少 24 bit
  4. 芯片在没有接收到 DIN 端输入 RESET 信号时，OUTR、OUTG、OUTB 管脚输出保持不便；而当接收到 RESET 信号后，每个控制端会根据接收到的数据改变输出

芯片采用自动整形转发技术，使得该芯片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。

其通信协议为：复位信号 + 第一颗芯片的 24 位数据 + 第二颗芯片的 24 位数据 + ... + 第 N 颗芯片的 24 位数据。高位在前，按照 GRB 的顺序发送（不同 WS2812 芯片颜色顺序不一样，需要看数据手册）：

1280X1280 (3).PNG

其中 R0-R7 bit 控制红光颜色输出，G0-G7bit 控制绿光颜色输出，B0-B7bit 控制绿光颜色输出。由于每颗灯珠需要存储 24 bit 的 RGB 色彩数据，当灯带较长，灯珠个数较多时，显存数据会占用大量的 RAM 空间。

b48b8923-52b6-4ceb-9c92-d7eee03a662c.png

其中 D1 位 MCU 端发送的数据，D2、D3、D4 为级联电路自动整形转发的数据。控制器可以连续发送 24 bit 的 RGB 控制信号，第一个灯珠截取前 24 bit 后，会显示在自己的 LED 上，并将其余的数据进行整形后发送给第二颗灯珠。第二颗灯珠会截取第二组 24 bit 数据进行显示，并继续进行转发剩下的，直到最后一组数据被显示为止。

WS2812 电气参数如下：

c0d6c004-2623-4b6d-a3df-ae16127ad582.png

d6071a32-b7fe-4e80-a78d-eaec0689c9e2.png

2.使用 NeoPixel 类驱动 WS2812 灯

我们可以使用 MicroPython 库中自带的 neopixel 模块中的 NeoPixel 类来驱动 WS2812 LED 灯：

7ea9b98d-27d8-4346-825c-311a72b49b65.png

它提供了以下几种方法来控制 WS2812 LED 灯：

407e818e-307c-4724-8b38-f6e4c1d55ac8 (1).png

ScreenShot_2026-06-09_190506_896.png

在下面实验中，我们需要将风雅一号板-七彩触控扩展板插入到风雅一号板-通用兼容扩展板上，同时打开 SWITCH2 拨码开关上 WS2812 选项：

4746937f-5ae5-4a7d-9b10-a443e8309220.png

dcf40541-c9cc-4e47-8c6b-17f30988d9e6.jfif

60870c6f-f2e6-43c8-95d3-96f778c17c6c.png

以下代码中，我们使用单排 4 个 WS2812 实现一个流水灯，使用树莓派 Pico 的 GP18 引脚作为 WS2812 的信号线，使用 5V 给 WS2812 灯珠进行供电，以下代码可以在我们提供的资料包中 elegance-devkit v1\Demo\32 NeoPixel 文件夹找到。

其工作基本原理为：定时调用亮灯函数，在亮灯函数中遍历了所有的 LED 灯，并将当前被选中的灯设置为红色，其他灯设置为蓝色。然后，它更新 NeoPixel 条带来显示新的颜色。当每个灯轮询显示一遍红色后，全部变为绿色，然后重复循环。

示例代码如下：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/7/27 下午2:55   
# @Author  : 李清水            
# @File    : main.py       
# @Description : 通过GPIO控制NeoPixel灯带闪烁

# ======================================== 导入相关模块 ========================================

# 导入硬件相关的模块
from machine import Pin, Timer
# 导入时间相关的模块
import time
# 导入NeoPixel相关的模块
from neopixel import NeoPixel
# 导入随机数模块
import random

# ======================================== 全局变量 ============================================

# 定义 NeoPixel 连接的 GPIO 引脚为 18
NEOPIXEL_PIN = 18
# 定义 NeoPixel 灯带上 LED 的数量为 4 个
NUMBER_PIXELS = 4
# 定义一个计数器变量,用于控制 LED 的移动
counter = 0

# ======================================== 功能函数 ============================================

def move_pixel(timer: Timer) -> None:
    """
​    移动 NeoPixel 灯带上的 LED。

​    Args:
​        timer (machine.Timer): 定时器实例。

​    Returns:
​        None

​    Description:
​        该函数通过定时器周期性调用，控制 NeoPixel 灯带上的 LED 移动。
​        当前 LED 显示红色，其他 LED 显示蓝色，当计数器超过 LED 数量时，所有 LED 显示绿色并重置计数器。
​    """
​    ​# 声明 counter 变量为全局变量,以便在函数内部修改它
    global counter

    # 遍历所有 NeoPixel LED
    for i in range(0, NUMBER_PIXELS):
        # 如果当前 LED 的索引等于 counter 值,则设置为红色 (10,0,0)
        if i == counter:
            strip[i] = (55,0,0)
        # 否则,设置为蓝色 (0,0,10)
        else:
            strip[i] = (0,0,55)
        # 将更新后的颜色写入 NeoPixel 灯带
        strip.write()

    # 递增 counter 变量,用于控制下一个 LED 的移动
    counter += 1

    # 如果 counter 大于 LED 的数量
    if counter > NUMBER_PIXELS:
        # 设置所有 LED 为绿色 (0,10,0)
        strip.fill((0,55,0))
        strip.write()
        # 将 counter 重置为 0
        counter = 0

def random_color_flow(timer: Timer) -> None:
    """
​    实现随机颜色流水灯效果。

​    Args:
​        timer (machine.Timer): 定时器实例。

​    Returns:
​        None

​    Description:
​        该函数通过定时器周期性调用，控制 NeoPixel 灯带上的 LED 显示随机颜色。
​        每次调用时，所有 LED 的颜色都会更新为随机颜色。
​    """
​    ​# 声明 counter 变量为全局变量,以便在函数内部修改它
    global counter

    # 遍历所有 NeoPixel LED
    for i in range(NUMBER_PIXELS):
        # 为每个 LED 设置随机颜色 (R, G, B)
        strip[i] = (random.randint(0, 55), random.randint(0, 55), random.randint(0, 55))

    # 将更新后的颜色写入 NeoPixel 灯带
    strip.write()

# ======================================== 自定义类 ============================================

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试信息
print("FreakStudio: Using NeoPixel to control WS2812 LED")

# 创建一个 NeoPixel 对象,连接到 GPIO 引脚 18,并设置 LED 的数量为 4 个
strip = NeoPixel(Pin(NEOPIXEL_PIN), NUMBER_PIXELS)
# 创建一个软件定时器对象
timer = Timer(-1)

# ========================================  主程序  ===========================================

# 初始化定时器,每 200 毫秒触发一次 move_pixel 函数
timer.init(period=200, mode=Timer.PERIODIC, callback=random_color_flow)

while True:
    # 打印当前的 counter 值
    print('timer counter :', counter)
    # 延时 5 秒
    time.sleep(5)

其工作流程如下图所示：

447f0424-a76f-4188-bd08-3f497cd01af4.png

将代码烧录到 Pico 中，连接远程终端，可以看到实现了 WS2812 流水灯：

4.gif

并且终端定时输出计数值：

d7a3f797-d876-4a50-bbe6-caf802579bd6.png

我们也可以将定时器回调函数修改为 random_color_flow() 函数，实现任意流水灯效果：

# 初始化定时器,每 200 毫秒触发一次 move_pixel 函数
timer.init(period=200, mode=Timer.PERIODIC, callback=random_color_flow)

其基本原理就是使用 MicroPython 内置的 random 库中 randint 函数，生成 RGB 随机颜色数组，烧录代码，效果如下图所示：

3.gif

3.使用 PIO 驱动 WS2812 灯

使用 PIO 来控制 WS2812 彩灯对比使用内置 neopixel 模块控制 WS2812 彩灯来说，具有高实时性的优势：PIO 是一种专门的硬件外设，它可以独立于 CPU 运行,执行特定的数据传输任务，并且能够生成精确的时序信号而无需 CPU 参与，从而大大减轻了 CPU 的负载，这种硬件加速方式可以实现更高的传输效率和更低的功耗。

在下面实验中，我们需要将风雅一号板-七彩触控扩展板插入到风雅一号板-通用兼容扩展板上，同时打开 SWITCH2 拨码开关上 WS2812 选项：

4746937f-5ae5-4a7d-9b10-a443e8309220.png

dcf40541-c9cc-4e47-8c6b-17f30988d9e6.jfif

9dfee791-f0c1-490f-843a-e90e7ea91c6e.jfif

以下代码可以在我们提供的资料包中 elegance-devkit v1\Demo\33 PIO_NeoPixel 文件夹找到。

接下来，我们看一下如何使用 PIO 状态机来控制 NeoPixel 实现七彩流水灯，示例代码如下：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/7/27 下午9:52   
# @Author  : 李清水            
# @File    : main.py       
# @Description : 通过PIO控制NeoPixel灯带闪烁

# ======================================== 导入相关模块 ========================================

# 导入硬件相关的模块
from machine import Pin
# 导入时间相关的模块
import time
# 导入RP2040相关的模块
import rp2

# ======================================== 全局变量 ============================================

# LED灯带的颜色列表
colors = [
    (128, 0, 0),    # LED 1，红色，亮度降低
    (128, 82, 0),   # LED 2，橙色，亮度降低
    (128, 128, 0),  # LED 3，黄色，亮度降低
    (0, 128, 0),    # LED 4，绿色，亮度降低
    (0, 128, 128),  # LED 5，青色，亮度降低
    (0, 0, 128),    # LED 6，蓝色，亮度降低
    (38, 0, 65),    # LED 7，紫色，亮度降低
    (119, 65, 119), # LED 8，紫罗兰色，亮度降低
    (128, 53, 90),  # LED 9，热粉色，亮度降低
    (128, 10, 74),  # LED 10，深粉色，亮度降低
    (128, 128, 128),# LED 11，白色，亮度降低
    (96, 96, 96),   # LED 12，银色，亮度降低
    (0, 0, 0),      # LED 13，黑色
    (64, 64, 64),   # LED 14，灰色，亮度降低
    (128, 0, 128),  # LED 15，品红色，亮度降低
    (128, 128, 128) # LED 16，白色，亮度降低
]

# ======================================== 功能函数 ============================================

# 定义一个 asm_pio 函数,用于生成 PIO 程序
# 指定了 side-set 引脚的初始状态为低电平
# 指定了输出数据的移位方向为左移
# 使能autopull数据自动加载，自动加载阈值为24 位数据
@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW,
             out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,
             autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812() -> None:
    """
​    定义 WS2812 LED 驱动的 PIO 程序。

​    Args:
​        None

​    Returns:
​        None

​    Description:
​        该 PIO 程序用于驱动 WS2812 LED 灯带，通过状态机控制 LED 的颜色数据输出。
​        程序通过 side-set 引脚输出高低电平信号，控制 LED 的亮灭。
​    """
​    ​# 标记程序的起始位置,当程序执行到 wrap() 时,会跳转回此处继续执行
    wrap_target()
    # 定义一个名为 bitloop 的标签,用于循环处理每个 LED 灯的数据
    label('bitloop')
    # 将寄存器 osr 中的 1 位数据输出到x寄存器，首先执行侧集操作设置侧集引脚为低电平 2 个周期
    out(x, 1).side(0)[2]
    # jmp 会判断 X 暂存器的值是不是 0，如果是0则跳转到 do_zero 标签
    # jmp 的 delay 会在做完条件判断后执行，所以总共会花 2 + 1 cycles
    jmp(not_x, 'do_zero').side(1)[2]
    # 如果 X 的值是 1，pioasm 会执行第三行
    # 这一行没有改变 side-set 的电位，所以继续维持高电位（3 + 1 cycles），并跳回 bitloop 标签
    jmp('bitloop')[3]
    # 定义一个名为 do_zero 的标签,用于处理 0 值的位
    label('do_zero')
    # 若 X 的值是 0，则会执行 nop()，并将 side-set 设为低电位，时间也是 3 + 1 cycles
    nop().side(0)[3]
    # 程序执行完毕后跳转回 wrap_target() 处继续执行
    wrap()

# ======================================== 自定义类 ============================================

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试信息
print("FreakStudio: Using PIO to control WS2812 LED")

# 初始化一个状态机对象,并将 ws2812 函数加载到状态机
# WS2812 的通信频率是 800 kHz，将其乘以10可得8 MHz (即一个WS2812时钟周期 = 10个PIO执行时钟周期)
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8000000, sideset_base=Pin(18))

# ========================================  主程序  ===========================================

# 启动状态机
sm.active(1)

while True:
    # 依次输出每个LED灯的颜色数据
    for r, g, b in colors:
        # 把红、绿、蓝三个值分别左移8位、16位、24位，然后相加转成一个 24-bit GRB值
        value = (g << 16) | (r << 8) | b
        # sm.put() 方法实际上会写入一个 32-bit 的数据到 FIFO
        # 写入 FIFO 时左移8位
        sm.put(value, 8)

    # 列表左移
    colors = colors[1:] + [colors[0]]

    # 延时200ms
    time.sleep_ms(200)

简单来说，以上 PIO 程序的工作流程如下：

  1. 对于每个 LED 灯,程序会输出 24 位的 RGB 数据,每个颜色 8 位
  2. 对于每个比特位,如果值为 0 ,则输出高电平 0.3 μs 和低电平 0.9 μs;如果值为 1 ,则输出高电平 0.9 μs 和低电平 0.3 μs

接着，我们只需要向状态机写入每个 LED 灯对应的 GBR 值即可实现 WS2812 灯的不同颜色显示。

接下来，我们详细讲解驱动代码的原理。

前面我们讲过，WS2812 采用单极性归零码进行通信，数据 1 和数据 0 用高电平持续时间进行区分：

c698b4f9-c646-4bfb-8422-1c552d174ad3.png

WS2812 的通信频率是 800 kHz，将其乘以 10 可得 8 MHz (即一个 WS2812 时钟周期 = 10 个 PIO 执行时钟周期)，通过控制每个 PIO 执行时钟周期的高低电平输出即可控制输出二进制数据：

  1. 首先在 DIN 上输出 3 个 PIO 执行周期的高电平（这里记为 T1 = 0.375 us）
  2. 根据要传送的数据位调整 DIN 上输出的高低电平（1 = 高电位，0 = 低电位），

并维持电平 4 个 PIO 执行周期 （这里记为 T2 = 0.5 us）

  1. 最后拉低 DIN 上的电平持续 3 个 PIO 执行周期（T3 = 0.375 us）

为方便起见，我们称这三个阶段为 T1、T2 和 T3，其比例为 3:4:3。

T1    T2    T3
  └─────┴─────┴─────┘ = 1.25 us
    3  :  4  :  3       T1+T2 或 T2+T3 = 0.875 us
1 = 高    高    低
0 = 高    低    低

在 PIO 程序部分，我们首先已经使用 @rp2.asm_pio 装饰器使能 autopull 数据自动加载，自动加载阈值为 24 位数据，在 OSR 中的数据到达 24 位时会自动执行 OUT 指令从 TX FIFO 中加载数据然后进行对应操作，我们只需要 OUT 我们想要发送的数据即可。

PIO 程序运行流程如下：

# 定义一个 asm_pio 函数,用于生成 PIO 程序
# 指定了 side-set 引脚的初始状态为低电平
# 指定了输出数据的移位方向为左移
# 使能autopull数据自动加载，自动加载阈值为24 位数据
@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW,
             out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,
             autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812() -> None:
    """
​    定义 WS2812 LED 驱动的 PIO 程序。

​    Args:
​        None

​    Returns:
​        None

​    Description:
​        该 PIO 程序用于驱动 WS2812 LED 灯带，通过状态机控制 LED 的颜色数据输出。
​        程序通过 side-set​ 引脚输出高低电平信号，控制 LED 的亮灭。
​    """
​    ​# 标记程序的起始位置,当程序执行到 wrap() 时,会跳转回此处继续执行
    wrap_target()
    # 定义一个名为 bitloop 的标签,用于循环处理每个 LED 灯的数据
    label('bitloop')
    # 将寄存器 osr 中的 1 位数据输出到x寄存器，首先执行侧集操作设置侧集引脚为低电平 2 个周期
    out(x, 1).side(0)[2]
    # jmp 会判断 X 暂存器的值是不是 0，如果是0则跳转到 do_zero 标签
    # jmp 的 delay 会在做完条件判断后执行，所以总共会花 2 + 1 cycles
    jmp(not_x, 'do_zero').side(1)[2]
    # 如果 X 的值是 1，pioasm 会执行第三行
    # 这一行没有改变 side-set 的电位，所以继续维持高电位（3 + 1 cycles），并跳回 bitloop 标签
    jmp('bitloop')[3]
    # 定义一个名为 do_zero 的标签,用于处理 0 值的位
    label('do_zero')
    # 若 X 的值是 0，则会执行 nop()，并将 side-set 设为低电位，时间也是 3 + 1 cycles
    nop().side(0)[3]
    # 程序执行完毕后跳转回 wrap_target() 处继续执行
    wrap()

当发送数据 1 时，执行如下：

out(x, 1)
 ↓ 
jmp(not_x, 'do_zero')  
 ↓
jmp('bitloop')

当发送数据 0 时，执行如下：

out(x, 1)
 ↓ 
jmp(not_x, 'do_zero')  
 ↓
nop()
 ↓
wrap()

在以上发送数据阶段，总共花费了 7 个时钟周期，完成了 T1 和 T2 阶段。

现在，PIO 程序回到开头，使用 OUT 指令取出一个数据，并将 side-set 侧集引脚 设为低电位，而它的执行时间（2 + 1 个 PIO 执行周期）就会成为上一个 LED 的 T3 阶段。即使已经写完了最后一个 LED 灯的 GBR 数据的最后一位数据，OSR 中已经没有数据了，OUT 指令的 delay 延时仍会继续，完成最后一个数据的 T3 阶段。

整体时序图如下所示：

b45e9153-7e0b-4cd1-8f9c-c0e7755b692e.png

在 LED 灯的 GBR 数据发送时，我们使用了如下语句：

# 依次输出每个LED灯的颜色数据
for r, g, b in colors:
    # 把红、绿、蓝三个值分别左移8位、16位、24位，然后相加转成一个 24-bit GRB值
    value = (g << 16) | (r << 8) | b
    # sm.put() 方法实际上会写入一个 32-bit 的数据到 FIFO
    # 写入 FIFO 时左移8位
    sm.put(value, 8)

这里，我们将红、绿、蓝三个值分别左移 8 位、16 位、24 位，然后相加转成一个 24-bit GRB 值，需要注意的是，WS2812 在读取数据时 MSB 位在前 LSB 位在后，同时 OSR 移位寄存器为 32 位大小，为了使 WS2812 能从 MSB 位开始读取数据，我们需要将 GRB 值左移 8 位，对于缺少的低 8 位数据，PIO 状态机会暂停执行并等待下一个 32 位数据的到来。这里，我们在使能 autopull 数据自动加载时设置自动加载阈值为 24 位数据，那么当每次 OUT 完成一个 LED 灯对应的 24 位 GRB 数据后，会自动从 TX FIFO 中加载下一个 LED 灯对应的 24 位 GRB 数据（OUT 实际加载的大小为 32 位数据、低 8 位数据无效）。

在主循环中，我们使用如下语句完成 color 列表的循环左移（每次循环列表中元素循环左移 1 位）从而实现 WS2812 七彩流水灯（视觉效果上，LED 灯对应颜色不断左移）的效果：

colors = colors[1:] + [colors[0]]

其中：

  1. colors[1:]: 这个语法用于获取列表 colors 中从第二个元素开始到最后一个元素的所有元素。也就是说,这个操作会得到一个新的列表,包含除了第一个元素之外的所有元素
  2. [colors[0]]: 这个语法创建了一个新的列表,该列表只包含 colors 列表的第一个元素
  3. colors[1:] + [colors[0]]: 这个操作将上述两个列表进行拼接,得到一个新的列表。新列表的第一个元素是原列表的第二个元素,最后一个元素是原列表的第一个元素

这种左移操作可以用于实现 LED 灯带颜色的循环变换效果。每次执行这行代码,颜色列表中的元素就会向左移动一位,从而显示出不同的颜色组合，以上程序整体流程如下图所示：

7d79e463-8081-4252-b724-9e72d9305175.png

将代码烧录到 Pico 中，可以看到 WS2812 灯带中实现了 LED 灯不同颜色循环变化的效果：

1f6f62d1-c3ff-4177-a663-134ce2040a18.jfif

3.gif

posted @ 2026-09-01 16:18  FreakStudio  阅读(4)  评论(0)    收藏  举报