塞尔达流水灯带

merlin

塞尔达流水灯带

前言

新的进阶练习项目又来啦！这次带来的是塞尔达石板的流水灯显示，简而言之就是一块塞尔达石板，上面的文字像黑客帝国里面的数据条一样，慢慢地掉落下来。和往常一样，此次依然作为51的进阶练习，基础薄弱的可以看verimake的51相关教程《以 CH549 为例的 51 教程》，其中WS2812B相关的内容详细介绍可以看我之前的笔记《基于CH549单片机用旋转电位器对WS2812B灯带的控制学习》。

接线

不难看出这个和之前灯带控制的帖子里的接线基本一样，还是把旋转电位器去了的版本。仅仅串联330Ω的电阻有效保护输出口，毕竟此次学习的重点在程序里。

具体程序 main.c

#include <CH549_sdcc.H>	   //ch549的头文件，其中定义了单片机的一些特殊功能寄存器
#include <CH549_DEBUG.h>   //CH549官方提供库的头文件，定义了一些关于主频，延时，串口设置，看门口，赋值设置等基础函数
#include <stdlib.h>          //调用随机数函数
#define COLUMN_LED 13                  //灯的列数
#define COW_LED 21                     //灯的行数
#define PIXEL 4                        //像素长度
#define COW  (COW_LED+PIXEL*4-2)       //行数据长度

unsigned char buf_R[COLUMN_LED][COW] = {{0}};//假定灯带长度数据条的输出颜色缓存
unsigned char buf_G[COLUMN_LED][COW] = {{0}};
unsigned char buf_B[COLUMN_LED][COW] = {{0}};

unsigned char Column[COLUMN_LED];            //列定位灯带标志
 
unsigned char RGB_R[COLUMN_LED];//输入颜色缓存
unsigned char RGB_G[COLUMN_LED];
unsigned char RGB_B[COLUMN_LED];

/***********************************************************************
名    称    ：WS2812B时序部分
功    能    ：定义WS2812B的1码0码及复位码，以及根据RGB值为WS2812B赋予数据
************************************************************************/

#define WS2812 P2_2                           //设定p2.2口作为灯带的输入口
#define _nop() __asm NOP __endasm             //将nop指令定义为宏

//1码，高电平850ns 低电平400ns 误差正负150ns
#define RGB_1() do{WS2812 = 1;\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
	WS2812 = 0;}while(0) 
  //此处加do while循环可以将宏定义的部分可以被识别为语句，方便纠错，下同

//0码，高电平400ns 低电平850ns 误差正负150ns
#define RGB_0() do{WS2812 = 1;\
		_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
        _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
		WS2812 = 0;\
		_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
		}while(0)

//发送24位数据
void Send_2811_24bits(unsigned char G8,unsigned char R8,unsigned char B8)
{
	  
	  char n = 0;
	  //发送G8位
		for(n=0;n<8;n++)
		{
			
			if(G8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
			  RGB_0();
			}
            G8<<=1;
		}
		//发送R8位
		for(n=0;n<8;n++)
		{
			
			if(R8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
				RGB_0();
			}
			R8<<=1;
		}
		//发送B8位
	  for(n=0;n<8;n++)
		{
		
			if(B8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
			  RGB_0();
			}
      	B8<<=1;
		}
}

//复位码
void RGB_Rst()
{
		WS2812 = 0;
		mDelayuS( 50 );
}

//缓存清0
void Buf_Put0()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{
		  for(i=0;i<COW;i++)
	      {
			buf_R[j][i] = 0; 
			buf_G[j][i] = 0;
			buf_B[j][i] = 0;
		  }
		}
}

//颜色缓存
void genColor()
    {
		unsigned int j;
        float h , s = 1.0 , v = 1.0;                          //色相等分，明度和饱和度均设定为满
		for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{		
		h = j*1.0/COLUMN_LED;
		h *= 360.0f;                                          //HSV转RGB
        if (s == 0)
            {RGB_R[j] = RGB_G[j] = RGB_B[j] = v;}
        else
        {
            h = h / 60.0;
            int i = (int)h;
            float C = h - i;
            v *=255.0;
            float X = v * (1 - s) * 255.0;
            float Y = v * (1 - s * C) * 255.0;
            float Z = v * (1 - s * (1 - C)) * 255.0;
            switch (i)
            {
                case 0: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = Z; RGB_B[j]  = X; break;
                case 1: RGB_R[j]  = Y; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = X; break;
                case 2: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = Z; break;
                case 3: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = Y; RGB_B[j]  = v; break;
                case 4: RGB_R[j]  = Z; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = v; break;
                case 5: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = Y; break;
            }
        }
		}
    }

//设定像素段
void Set_Color(unsigned char column,unsigned char cow)
{
	  unsigned char i;
	  for(i=0;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL-i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL-i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL-i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
	  for(i=1;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL+i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL+i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL+i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
}

//将显示区的数据发送显示
void Send_ALL()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)                          
		{
		for(i=PIXEL*2-1;i<COW-PIXEL*2+1;i++)
		{
		Send_2811_24bits(buf_G[j][i],buf_R[j][i],buf_B[j][i]);
		}
		}
		mDelaymS(50);
}

/********************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*********************************************************************/
void main(void)
{
  unsigned int m,i,j;
  CfgFsys();                        //CH549时钟选择配置
  mDelaymS(20);
  genColor();                       //颜色预设
  for ( j = 0; j < COLUMN_LED; j++)     //所有列的流水灯进入就绪状态
  {
	  Column[j] = COW_LED+PIXEL*2-1;
  }
  
  /* 主循环 */
  while (1)
{
   Buf_Put0();                    //数据条清0
   m = rand() % COLUMN_LED;       //取随机数
   if (Column[m] == COW_LED+PIXEL*2-1) {Column[m] = 0;}       //选中的列若以就绪开启流水灯
   for ( i = 0; i < COLUMN_LED; i++)                          //检测每一列的状态
   {
	   if (Column[i] < COW_LED+PIXEL*2-1)                     //若列数据未走完给该列赋值
	   {
		   if (i % 2)                                         //判断单双列
		   {
			   Set_Color(i,COW_LED+PIXEL*2-1-Column[i]);      //双列
		   }
		   else
		   {
			   Set_Color(i,Column[i]);                        //单列
		   }
		  Column[i]++;                                        //下次循环走下一个瞬间的数据
	   }
	   
   }
   
   Send_ALL();                                                //将该时间数据发送显示
}
}

整个代码分为三个部分

其中<CH549_sdcc.h>、<CH549_DEBUG.h>、<stdlib.h>均为CH549官方提供库的头文件；

第一部分：WS2812B控制部分

#define WS2812 P2_2                           //设定p2.2口作为灯带的输入口
#define _nop() __asm NOP __endasm             //将nop指令定义为宏

//1码，高电平850ns 低电平400ns 误差正负150ns
#define RGB_1() do{WS2812 = 1;\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
    _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
	WS2812 = 0;}while(0) 
  //此处加do while循环可以将宏定义的部分可以被识别为语句，方便纠错，下同

//0码，高电平400ns 低电平850ns 误差正负150ns
#define RGB_0() do{WS2812 = 1;\
		_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
        _nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
		WS2812 = 0;\
		_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();_nop();\
		}while(0)

//发送24位数据
void Send_2811_24bits(unsigned char G8,unsigned char R8,unsigned char B8)
{
	  
	  char n = 0;
	  //发送G8位
		for(n=0;n<8;n++)
		{
			
			if(G8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
			  RGB_0();
			}
            G8<<=1;
		}
		//发送R8位
		for(n=0;n<8;n++)
		{
			
			if(R8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
				RGB_0();
			}
			R8<<=1;
		}
		//发送B8位
	  for(n=0;n<8;n++)
		{
		
			if(B8&0x80)
			{
				RGB_1();
			}
			else  
			{
			  RGB_0();
			}
      	B8<<=1;
		}
}

//复位码
void RGB_Rst()
{
		WS2812 = 0;
		mDelayuS( 50 );
}

该部分沿用之前帖子中的设定，不再赘述。

第二部分：数据条的设定与赋予

#define COLUMN_LED 7                  //灯的列数
#define COW_LED 21                     //灯的行数
#define PIXEL 4                        //像素长度
#define COW  (COW_LED+PIXEL*4-2)       //行数据长度

unsigned char buf_R[COLUMN_LED][COW] = {{0}};//假定灯带长度数据条的输出颜色缓存
unsigned char buf_G[COLUMN_LED][COW] = {{0}};
unsigned char buf_B[COLUMN_LED][COW] = {{0}};

unsigned char Column[COLUMN_LED];            //列定位灯带标志
 
unsigned char RGB_R[COLUMN_LED];//输入颜色缓存
unsigned char RGB_G[COLUMN_LED];
unsigned char RGB_B[COLUMN_LED];

//缓存清0
void Buf_Put0()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{
		  for(i=0;i<COW;i++)
	      {
			buf_R[j][i] = 0; 
			buf_G[j][i] = 0;
			buf_B[j][i] = 0;
		  }
		}
}

//颜色缓存
void genColor()
    {
		unsigned int j;
        float h , s = 1.0 , v = 1.0;                          //色相等分，明度和饱和度均设定为满
		for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{		
		h = j*1.0/COLUMN_LED;
		h *= 360.0f;                                          //HSV转RGB
        if (s == 0)
            {RGB_R[j] = RGB_G[j] = RGB_B[j] = v;}
        else
        {
            h = h / 60.0;
            int i = (int)h;
            float C = h - i;
            v *=255.0;
            float X = v * (1 - s) * 255.0;
            float Y = v * (1 - s * C) * 255.0;
            float Z = v * (1 - s * (1 - C)) * 255.0;
            switch (i)
            {
                case 0: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = Z; RGB_B[j]  = X; break;
                case 1: RGB_R[j]  = Y; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = X; break;
                case 2: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = Z; break;
                case 3: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = Y; RGB_B[j]  = v; break;
                case 4: RGB_R[j]  = Z; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = v; break;
                case 5: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = Y; break;
            }
        }
		}
    }

//设定像素段
void Set_Color(unsigned char column,unsigned char cow)
{
	  unsigned char i;
	  for(i=0;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL-i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL-i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL-i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
	  for(i=1;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL+i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL+i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL+i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
}

//将显示区的数据发送显示
void Send_ALL()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)                          
		{
		for(i=PIXEL*2-1;i<COW-PIXEL*2+1;i++)
		{
		Send_2811_24bits(buf_G[j][i],buf_R[j][i],buf_B[j][i]);
		}
		}
		mDelaymS(50);
}

其中：

#define COLUMN_LED 13                  //灯的列数
#define COW_LED 21                     //灯的行数
#define PIXEL 4                        //像素长度
#define COW  (COW_LED+PIXEL*4-2)       //行数据长度

unsigned char buf_R[COLUMN_LED][COW] = {{0}};//假定灯带长度数据条的输出颜色缓存
unsigned char buf_G[COLUMN_LED][COW] = {{0}};
unsigned char buf_B[COLUMN_LED][COW] = {{0}};

unsigned char Column[COLUMN_LED];            //列定位灯带标志
 
unsigned char RGB_R[COLUMN_LED];//输入颜色缓存
unsigned char RGB_G[COLUMN_LED];
unsigned char RGB_B[COLUMN_LED];

由下图可以清晰看出COLUMN_LED为列数，COW_LED为实际列灯带行数，COW为虚拟列灯带长度；像素段的运动将中间最亮的那一部分作为定位点，而PIEXL即为亮点带一边渐暗的像素段，实际的像素段为（PIEXL*2-1）；buf_X数组为颜色RGB的缓存数组方便发送显示分为三个数组，分别对应RGB；Column数组为列定位灯带标志，后面会详细说明；RGB_X为循环前就设定好的列输入颜色缓存

void Buf_Put0()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{
		  for(i=0;i<COW;i++)
	      {
			buf_R[j][i] = 0; 
			buf_G[j][i] = 0;
			buf_B[j][i] = 0;
		  }
		}
}

Buf_Put0函数即将虚拟灯带长度下的所有颜色缓存数据全部置0.

void genColor()
    {
		unsigned int j;
        float h , s = 1.0 , v = 1.0;                          //色相等分，明度和饱和度均设定为满
		for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)
		{		
		h = j*1.0/COLUMN_LED;
		h *= 360.0f;                                          //HSV转RGB
        if (s == 0)
            {RGB_R[j] = RGB_G[j] = RGB_B[j] = v;}
        else
        {
            h = h / 60.0;
            int i = (int)h;
            float C = h - i;
            v *=255.0;
            float X = v * (1 - s) * 255.0;
            float Y = v * (1 - s * C) * 255.0;
            float Z = v * (1 - s * (1 - C)) * 255.0;
            switch (i)
            {
                case 0: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = Z; RGB_B[j]  = X; break;
                case 1: RGB_R[j]  = Y; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = X; break;
                case 2: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = v; RGB_B[j]  = Z; break;
                case 3: RGB_R[j]  = X; RGB_G[j]  = Y; RGB_B[j]  = v; break;
                case 4: RGB_R[j]  = Z; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = v; break;
                case 5: RGB_R[j]  = v; RGB_G[j]  = X; RGB_B[j]  = Y; break;
            }
        }
		}
    }

genColor函数是给列输入颜色缓存设定颜色，其中用到了HSV转RGB的相关算法。

RGB颜色模型

HSV颜色模型
RGB颜色模型是面向硬件的，WS2812B的颜色识别就是RGB的，之前的几次练习都不太在意颜色的准确度，所以直接套用RGB颜色模型就可以满足需求，这次的流水灯要各列灯颜色各异，与其手动输入颜色不如考虑HSV颜色模型。
HSV颜色模型是面向用户的，其中：

色调H：用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°,蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°,紫色为300°；
饱和度S：饱和度S表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色，可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例愈大，颜色接近光谱色的程度就愈高，颜色的饱和度也就愈高。饱和度高，颜色则深而艳。光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。通常取值范围为0%～100%，值越大，颜色越饱和。
明度V：明度表示颜色明亮的程度，对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。通常取值范围为0%（黑）到100%（白）。
此处我们将色调H按列分等分分别给输入的颜色缓存赋值，这样便可以做到颜色各异；随着列数增加相邻的两列可能出现颜色相似的情况。

void Set_Color(unsigned char column,unsigned char cow)
{
	  unsigned char i;
	  for(i=0;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL-i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL-i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL-i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
	  for(i=1;i<PIXEL;i++)
	  {  
		buf_R[column][cow+PIXEL+i] = RGB_R[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_G[column][cow+PIXEL+i] = RGB_G[column] / (PIXEL * i + 1);
		buf_B[column][cow+PIXEL+i] = RGB_B[column] / (PIXEL * i + 1);
	  }
}

这段函数是给像素段输入颜色缓存，定位点位于像素段中心且为满亮度，亮度向两侧递减；虽然灯带的串联是S型的，但是设定的流水灯方向是从上向下（主程序部分详细说）；如下图所示，像素段实际的起点和终点为橙色椭圆位置，移动距离也由图中标出。
由于WS2812B灯带对亮度的显示变化不算明显（或者可能是人的眼睛对更亮的光分辨不出），仅仅减少一点的RGB数值并不会看出明显的明暗，只有RGB数值变化较大时才能看出变化，所以用的上面的算法。

void Send_ALL()
{
	unsigned char i,j;
	for (j = 0; j < COLUMN_LED; j++)                          
		{
		for(i=PIXEL*2-1;i<COW-PIXEL*2+1;i++)
		{
		Send_2811_24bits(buf_G[j][i],buf_R[j][i],buf_B[j][i]);
		}
		}
		mDelaymS(50);
}

这段就是将实际灯带长度内的所有颜色缓存数据发送到显示的函数。

第三部分：main函数

void main(void)
{
  unsigned int m,i,j;
  CfgFsys();                        //CH549时钟选择配置
  mDelaymS(20);
  genColor();                       //颜色预设
  for ( j = 0; j < COLUMN_LED; j++)     //所有列的流水灯进入就绪状态
  {
	  Column[j] = COW_LED+PIXEL*2-1;
  }
  
  /* 主循环 */
  while (1)
{
   Buf_Put0();                    //数据条清0
   m = rand() % COLUMN_LED;       //取随机数
   if (Column[m] == COW_LED+PIXEL*2-1) {Column[m] = 0;}       //选中的列若以就绪开启流水灯
   for ( i = 0; i < COLUMN_LED; i++)                          //检测每一列的状态
   {
	   if (Column[i] < COW_LED+PIXEL*2-1)                     //若列数据未走完给该列赋值
	   {
		   if (i % 2)                                         //判断单双列
		   {
			   Set_Color(i,COW_LED+PIXEL*2-1-Column[i]);      //双列
		   }
		   else
		   {
			   Set_Color(i,Column[i]);                        //单列
		   }
		  Column[i]++;                                        //下次循环走下一个瞬间的数据
	   }
	   
   }
   
   Send_ALL();                                                //将该时间数据发送显示
}
}

如流程图所示，在main函数中，先配置时钟，然后进行颜色预设，将标志位数值Column置为像素段中心最大移动距离即就绪的位置。进入循环，先将虚拟灯带长度的数据全部置0，再取随机数，就随机数那一列若已就绪就将这一列标志位置0即位于移动起始点，然后进入赋值循环，每一列先判断有无达到就绪，达到就保持该列数据置0的状态，未达到就根据列数是单是双，单数列按正向，双数列按反向（具体如下图），赋予标志位数值的位置的数据（例如标志位为5，就按像素段中心起始点起按移动方向第五点）并将该列的标志位数值加1，保证下一循环进行一次移动，直到每一列都将该瞬间的颜色缓存更新完，发送实际灯带长度的数据给与显示，回到取随机数那一列再继续循环。

成品展示图

可以看出，就显示的来看还是很好看的，虽然中途硬件问题（替换掉灯带上的个别时序有问题的灯珠）让我们头疼了会，但是最后实现出来的效果还是不错的。

老样子具体演示可以看B站verimake上传的视频：传送门

这次的文件我也放到了gitee仓库上，文件名区别于之前的文件的采用：Zelda-light2

欢迎大家参考！！

PYL4869

您好，请问这个钢网的文件可以提供一下吗，想要复刻一个 merlin

merlin

PYL4869 文章末尾有gitee仓库的链接，这里再附一个：传送门，其中文件名是Zelda-light2就是

PYL4869

merlin 您好，也许是我表达有误，我想要的是这个钢网的文件，就是你们提供给立创的文件，可以提供下吗

PYL4869

merlin 因为没有接触过这方面的

merlin

PYL4869 已经添加到仓库，在Zelda-light2目录下，里面有相关说明介绍，欢迎交作业哦