在本系列的 第一 和 第二 部分中討論的大多數(shù)示例都是以某種方式閃爍的 LED。起初它可能很有趣，但是一段時(shí)間后變得有些無(wú)聊。讓我們做些更有趣的事情……

…讓我們點(diǎn)亮更多的 LED！

STM32F030F4P6

WS281x LED

WS281x RGB LED（及其克隆品）非常受歡迎。你可以以單個(gè)元素購(gòu)買、鏈成長(zhǎng)條或組裝成矩陣、環(huán)或其他形狀。

WS2812B

它們可以串聯(lián)連接，基于這個(gè)事實(shí)，你可以只用 MCU 的單個(gè)引腳就可以控制一個(gè)很長(zhǎng)的 LED 燈條。不幸的是，它們的內(nèi)部控制器使用的物理協(xié)議不能直接適用于你在 MCU 中可以找到的任何外圍設(shè)備。你必須使用 位脈沖bit-banging或以特殊方式使用可用的外設(shè)。

哪種可用的解決方案最有效取決于同時(shí)控制的 LED 燈條數(shù)量。如果你必須驅(qū)動(dòng) 4 到 16 個(gè)燈條，那么最有效的方法是 使用定時(shí)器和 DMA（請(qǐng)不要忽略這篇文章末尾的鏈接）。

如果只需要控制一個(gè)或兩個(gè)燈條，請(qǐng)使用可用的 SPI 或 UART 外設(shè)。對(duì)于 SPI，你只能在發(fā)送的一個(gè)字節(jié)中編碼兩個(gè) WS281x 位。由于巧妙地使用了起始位和停止位，UART 允許更密集的編碼：每發(fā)送一個(gè)字節(jié) 3 位。

我在 此站點(diǎn) 上找到了有關(guān) UART 協(xié)議如何適用于 WS281x 協(xié)議的最佳解釋。如果你不懂波蘭語(yǔ)，這里是 英文翻譯。

基于 WS281x 的 LED 仍然是最受歡迎的，但市場(chǎng)上也有 SPI 控制的 LED：APA102、SK9822。關(guān)于它們的三篇有趣的文章在這里：1、2、3。

LED 環(huán)

市場(chǎng)上有許多基于 WS2812 的環(huán)。我有一個(gè)這樣的：

WS2812B

它具有 24 個(gè)可單獨(dú)尋址的 RGB LED（WS2812B），并暴露出四個(gè)端子：GND、5V、DI 和 DO。通過將 DI（數(shù)據(jù)輸入）端子連接到上一個(gè)的 DO（數(shù)據(jù)輸出）端子，可以鏈接更多的環(huán)或其他基于 WS2812 的東西。

讓我們將這個(gè)環(huán)連接到我們的 STM32F030 板上。我們將使用基于 UART 的驅(qū)動(dòng)程序，因此 DI 應(yīng)連接到 UART 接頭連接器上的 TXD 引腳。 WS2812B LED 需要至少 3.5V 的電源。 24 個(gè) LED 會(huì)消耗大量電流，因此在編程/調(diào)試期間，最好將環(huán)上的 GND 和 5V 端子直接連接到 ST-LINK 編程器上可用的 GND 和 5V 引腳：

WS2812B

我們的 STM32F030F4P6 MCU 和整個(gè) STM32 F0、F3、F7、L4 系列具有 F1、F4、L1 MCU 不具備的一項(xiàng)重要功能：它可以反轉(zhuǎn) UART 信號(hào)，因此我們可以將環(huán)直接連接到 UART TXD 引腳。如果你不知道我們需要這種反轉(zhuǎn)，那么你可能沒有讀過我上面提到的 文章。

因此，你不能以這種方式使用流行的 Blue Pill 或 STM32F4-DISCOVERY。使用其 SPI 外設(shè)或外部反相器。有關(guān)使用 SPI 的 NUCLEO-F411RE，請(qǐng)參見 圣誕樹燈 項(xiàng)目作為 UART + 逆變器的示例或 WS2812示例。

順便說(shuō)一下，大多數(shù) DISCOVERY 板可能還有一個(gè)問題：它們?cè)?VDD = 3V 而不是 3.3V 的情況下工作。 對(duì)于高 DI，WS281x 至少要求電源電壓 * 0.7。如果是 5V 電源，則為 3.5V；如果是 4.7V 電源，則為 3.3V；可在 DISCOVERY 的 5V 引腳上找到。如你所見，即使在我們的情況下，第一個(gè) LED 的工作電壓也低于規(guī)格 0.2V。對(duì)于 DISCOVERY 板，如果供電 4.7V，它將工作在低于規(guī)格的 0.3V 下；如果供電 5V，它將工作在低于規(guī)格 0.5V 下。

讓我們結(jié)束這段冗長(zhǎng)的介紹并轉(zhuǎn)到代碼：

package main
 
import (
    "delay"
    "math/rand"
    "rtos"
 
    "led"
    "led/ws281x/wsuart"
 
    "stm32/hal/dma"
    "stm32/hal/gpio"
    "stm32/hal/irq"
    "stm32/hal/system"
    "stm32/hal/system/timer/systick"
    "stm32/hal/usart"
)
 
var tts *usart.Driver
 
func init() {
    system.SetupPLL(8, 1, 48/8)
    systick.Setup(2e6)
 
    gpio.A.EnableClock(true)
    tx := gpio.A.Pin(9)
 
    tx.Setup(&gpio.Config{Mode: gpio.Alt})
    tx.SetAltFunc(gpio.USART1_AF1)
 
    d := dma.DMA1
    d.EnableClock(true)
 
    tts = usart.NewDriver(usart.USART1, d.Channel(2, 0), nil, nil)
    tts.Periph().EnableClock(true)
    tts.Periph().SetBaudRate(3000000000 / 1390)
    tts.Periph().SetConf2(usart.TxInv)
    tts.Periph().Enable()
    tts.EnableTx()
 
    rtos.IRQ(irq.USART1).Enable()
    rtos.IRQ(irq.DMA1_Channel2_3).Enable()
}
 
func main() {
    var rnd rand.XorShift64
    rnd.Seed(1)
    rgb := wsuart.GRB
    strip := wsuart.Make(24)
    black := rgb.Pixel(0)
    for {
        c := led.Color(rnd.Uint32()).Scale(127)
        pixel := rgb.Pixel(c)
        for i := range strip {
            strip[i] = pixel
            tts.Write(strip.Bytes())
            delay.Millisec(40)
        }
        for i := range strip {
            strip[i] = black
            tts.Write(strip.Bytes())
            delay.Millisec(20)
        }
    }
}
 
func ttsISR() {
    tts.ISR()
}
 
func ttsDMAISR() {
    tts.TxDMAISR()
}
 
//c:__attribute__((section(".ISRs")))
var ISRs = [...]func(){
    irq.USART1:          ttsISR,
    irq.DMA1_Channel2_3: ttsDMAISR,
}

導(dǎo)入部分

與前面的示例相比，導(dǎo)入部分中的新內(nèi)容是 rand/math 包和帶有 led/ws281x 子樹的 led 包。 led 包本身包含 Color 類型的定義。 led/ws281x/wsuart 定義了 ColorOrder、Pixel 和 Strip 類型。

我想知道如何使用 image/color 中的 Color 或 RGBA 類型，以及如何以它將實(shí)現(xiàn) image.Image 接口的方式定義 Strip。 但是由于使用了 gamma 校正 和 大開銷的 color/draw 包，我以簡(jiǎn)單的方式結(jié)束：

type Color uint32
type Strip []Pixel

使用一些有用的方法。然而，這種情況在未來(lái)可能會(huì)改變。

init 函數(shù)

init 函數(shù)沒有太多新穎之處。 UART 波特率從 115200 更改為 3000000000/1390 ≈ 2158273，相當(dāng)于每個(gè) WS2812 位 1390 納秒。 CR2 寄存器中的 TxInv 位設(shè)置為反轉(zhuǎn) TXD 信號(hào)。

main 函數(shù)

XorShift64 偽隨機(jī)數(shù)生成器用于生成隨機(jī)顏色。 XORSHIFT 是目前由 math/rand 包實(shí)現(xiàn)的唯一算法。你必須使用帶有非零參數(shù)的 Seed 方法顯式初始化它。

rgb 變量的類型為 wsuart.ColorOrder，并設(shè)置為 WS2812 使用的 GRB 顏色順序（WS2811 使用 RGB 順序）。然后用于將顏色轉(zhuǎn)換為像素。

wsuart.Make(24) 創(chuàng)建 24 像素的初始化條帶。它等效于：

strip := make(wsuart.Strip, 24)
strip.Clear()

其余代碼使用隨機(jī)顏色繪制類似于 “Please Wait…” 微調(diào)器的內(nèi)容。

strip 切片充當(dāng)幀緩沖區(qū)。 tts.Write(strip.Bytes()) 將幀緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到環(huán)。

中斷

該程序由處理中斷的代碼組成，與先前的 UART 示例 中的代碼相同。

讓我們編譯并運(yùn)行：

$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  14088     240     204   14532    38c4 cortexm0.elf
$ openocd -d0 -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f0x.cfg -c 'init; program cortexm0.elf; reset run; exit'

我跳過了 openocd 的輸出。下面的視頻顯示了該程序的工作原理：

讓我們做些有用的事情...

在 第一部分 的開頭，我曾問過：“Go 能深入到多低層，而還能做一些有用的事情？”。 我們的 MCU 實(shí)際上是一種低端設(shè)備（8 比特的人可能會(huì)不同意我的看法），但到目前為止，我們還沒有做任何有用的事情。

所以... 讓我們做些有用的事情... 讓我們做個(gè)時(shí)鐘！

在互聯(lián)網(wǎng)上有許多由 RGB LED 構(gòu)成的時(shí)鐘示例。讓我們用我們的小板子和 RGB 環(huán)制作自己的時(shí)鐘。我們按照下面的描述更改先前的代碼。

導(dǎo)入部分

刪除 math/rand 包，然后添加 stm32/hal/exti。

全局變量

添加兩個(gè)新的全局變量：btn 和 btnev：

var (
    tts   *usart.Driver
    btn   gpio.Pin
    btnev rtos.EventFlag
)

它們將用來(lái)處理那些用于設(shè)置時(shí)鐘的 “按鈕”。我們的板子除了重置之外沒有其他按鈕，但是如果沒有它，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^某種方式進(jìn)行管理。

init 函數(shù)

將這段代碼添加到 init 函數(shù)：

btn = gpio.A.Pin(4)
 
btn.Setup(&gpio.Config{Mode: gpio.In, Pull: gpio.PullUp})
ei := exti.Lines(btn.Mask())
ei.Connect(btn.Port())
ei.EnableFallTrig()
ei.EnableRiseTrig()
ei.EnableIRQ()
 
rtos.IRQ(irq.EXTI4_15).Enable()

在內(nèi)部上拉電阻pull-up resistor啟用的情況下，將 PA4 引腳配置為輸入。它已連接至板載 LED，但這不會(huì)妨礙任何事情。更重要的是它位于 GND 引腳旁邊，所以我們可以使用任何金屬物體來(lái)模擬按鈕并設(shè)置時(shí)鐘。作為獎(jiǎng)勵(lì)，我們還有來(lái)自板載 LED 的其他反饋。

我們使用 EXTI 外設(shè)來(lái)跟蹤 PA4 狀態(tài)。它被配置為在發(fā)生任何更改時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中斷。

btnWait 函數(shù)

定義一個(gè)新的輔助函數(shù)：

func btnWait(state int, deadline int64) bool {
    for btn.Load() != state {
        if !btnev.Wait(1, deadline) {
            return false // timeout
        }
        btnev.Reset(0)
    }
    delay.Millisec(50) // debouncing
    return true
}

它等待 “按鈕” 引腳上的指定狀態(tài)，但只等到最后期限出現(xiàn)。這是稍微改進(jìn)的輪詢代碼：

for btn.Load() != state {
    if rtos.Nanosec() >= deadline {
        // timeout
    }
}

我們的 btnWait 函數(shù)不是忙于等待 state 或 deadline，而是使用 rtos.EventFlag 類型的 btnev 變量休眠，直到有事情發(fā)生。你當(dāng)然可以使用通道而不是 rtos.EventFlag，但是后者便宜得多。

main 函數(shù)

我們需要全新的 main 函數(shù)：

func main() {
    rgb := wsuart.GRB
    strip := wsuart.Make(24)
    ds := 4 * 60 / len(strip) // Interval between LEDs (quarter-seconds).
    adjust := 0
    adjspeed := ds
    for {
        qs := int(rtos.Nanosec() / 25e7) // Quarter-seconds since reset.
        qa := qs + adjust
 
        qa %= 12 * 3600 * 4 // Quarter-seconds since 0:00 or 12:00.
        hi := len(strip) * qa / (12 * 3600 * 4)
 
        qa %= 3600 * 4 // Quarter-seconds in the current hour.
        mi := len(strip) * qa / (3600 * 4)
 
        qa %= 60 * 4 // Quarter-seconds in the current minute.
        si := len(strip) * qa / (60 * 4)
 
        hc := led.Color(0x550000)
        mc := led.Color(0x005500)
        sc := led.Color(0x000055)
 
        // Blend the colors if the hands of the clock overlap.
        if hi == mi {
            hc |= mc
            mc = hc
        }
        if mi == si {
            mc |= sc
            sc = mc
        }
        if si == hi {
            sc |= hc
            hc = sc
        }
 
        // Draw the clock and write to the ring.
        strip.Clear()
        strip[hi] = rgb.Pixel(hc)
        strip[mi] = rgb.Pixel(mc)
        strip[si] = rgb.Pixel(sc)
        tts.Write(strip.Bytes())
 
        // Sleep until the button pressed or the second hand should be moved.
        if btnWait(0, int64(qs+ds)*25e7) {
            adjust += adjspeed
            // Sleep until the button is released or timeout.
            if !btnWait(1, rtos.Nanosec()+100e6) {
                if adjspeed < 5*60*4 {
                    adjspeed += 2 * ds
                }
                continue
            }
            adjspeed = ds
        }
    }
}

我們使用 rtos.Nanosec 函數(shù)代替 time.Now 來(lái)獲取當(dāng)前時(shí)間。這樣可以節(jié)省大量的閃存，但也使我們的時(shí)鐘變成了不知道日、月、年的老式設(shè)備，最糟糕的是它無(wú)法處理夏令時(shí)的變化。

我們的環(huán)有 24 個(gè) LED，因此秒針的顯示精度可以達(dá)到 2.5 秒。為了不犧牲這種精度并獲得流暢的運(yùn)行效果，我們使用 1/4 秒作為基準(zhǔn)間隔。半秒就足夠了，但四分之一秒更準(zhǔn)確，而且與 16 和 48 個(gè) LED 配合使用也很好。

紅色、綠色和藍(lán)色分別用于時(shí)針、分針和秒針。這允許我們使用簡(jiǎn)單的“邏輯或操作”進(jìn)行顏色混合。我們 Color.Blend 方法可以混合任意顏色，但是我們閃存不多，所以我們選擇最簡(jiǎn)單的解決方案。

我們只有在秒針移動(dòng)時(shí)才重畫時(shí)鐘。

btnWait(0, int64(qs+ds)*25e7)

上面的這行代碼等待的正是那一刻，或者是按鈕的按下。

每按一下按鈕就會(huì)把時(shí)鐘向前調(diào)一調(diào)。按住按鈕一段時(shí)間會(huì)加速調(diào)整。

中斷

定義新的中斷處理程序：

func exti4_15ISR() {
    pending := exti.Pending() & 0xFFF0
    pending.ClearPending()
    if pending&exti.Lines(btn.Mask()) != 0 {
        btnev.Signal(1)
    }
}

并將 irq.EXTI4_15: exti4_15ISR 條目添加到 ISR 數(shù)組。

該處理程序（或中斷服務(wù)程序）處理 EXTI4_15 IRQ。 Cortex-M0 CPU 支持的 IRQ 明顯少于其較大的同類兄弟處理器，因此你經(jīng)常可以看到一個(gè) IRQ 被多個(gè)中斷源共享。在我們的例子中，一個(gè) IRQ 由 12 個(gè) EXTI 線共享。

exti4_15ISR 讀取所有掛起的位，并從中選擇 12 個(gè)更高的有效位。接下來(lái)，它清除 EXTI 中選中的位并開始處理它們。在我們的例子中，僅檢查第 4 位。 btnev.Signal(1) 引發(fā) btnev.Wait(1, deadline) 喚醒并返回 true。

你可以在 Github 上找到完整的代碼。讓我們來(lái)編譯它：

$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  15960     240     216   16416    4020 cortexm0.elf

這里所有的改進(jìn)只得到 184 個(gè)字節(jié)。讓我們?cè)俅沃匦聵?gòu)建所有內(nèi)容，但這次在 typeinfo 中不使用任何類型和字段名：

$ cd $HOME/emgo
$ ./clean.sh
$ cd $HOME/firstemgo
$ egc -nf -nt
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  15120     240     216   15576    3cd8 cortexm0.elf

現(xiàn)在，有了千字節(jié)的空閑空間，你可以改進(jìn)一些東西。讓我們看看它是如何工作的： 

我不知道我是怎么精確打到 3:00 的！？

以上就是所有內(nèi)容！在第 4 部分（本系列的結(jié)束）中，我們將嘗試在 LCD 上顯示一些內(nèi)容。（LCTT 譯注：然而爛尾了，第三篇寫于 2018 年，整個(gè)博客當(dāng)年就停更了。）