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FPGA + WS2812采灯控制

news 2026/2/8 21:17:35

文章目录

一、WS2812C-2020-V1
- 1、产品概述
- 2、引出端排列及功能
- 3、数据传输时间
- 4、数据传输方法
二、使用WS2812C显示图片
- 1、静态显示
- 2、动态显示

一、WS2812C-2020-V1

1、产品概述

WS2812C-2020-V1是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源；其外型采用最新的molding封
装工艺，将IC与发光芯片封装在一个2020的封装尺寸中，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，还包含有高精度的内部振荡器和可编程定电流控制部分，有效保证了像素
点光的颜色高度一致。

主要特点：
● IC控制电路与LED点光源共用一个电源。
● 每个通道工作电流5mA.
● 控制电路与RGB芯片集成在一个2020封装的元器件中，构成一个完整的外控像素点。
● 内置信号整形电路，任何一个像素点收到信号后经过波形整形再输出，保证线路波形畸变不会累加。
● 内置上电复位和掉电复位电路。
● 每个像素点的三基色颜色可实现256级亮度显示，完成16777216种颜色的全真色彩显示。
● 端口扫描频率2KHz/s。
● 串行级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码。
● 任意两点传输距离在不超过5米时无需增加任何电路。
● 当刷新速率30帧/秒时，级联数不小于1024点。
● 数据发送速度可达800Kbps。
● 光的颜色高度一致，性价比高。

2、引出端排列及功能

在这里插入图片描述

序号	符号	管脚名	功能描述
1	DO	数据输出	控制数据信号输出
2	GND	地	信号接地和电源接地
3	DI	数据输入	控制数据信号输入
4	VDD	电源	供电管脚

3、数据传输时间

在这里插入图片描述
时序波形图

4、数据传输方法

在这里插入图片描述
注：其中 D1 为 MCU 端发送的数据，D2、D3、D4 为级联电路自动整形转发的数据。
24bit 数据结：

二、使用WS2812C显示图片

1、静态显示

显示F为例：
在这里插入图片描述
首先将图片信息存入rom中，通过读出rom中的数据，将数据中的值通过高低电平的脉宽调制，显示至WS2812C上。
显示模块：

module ws2812b_driver (input       wire        clk         ,input       wire        rst_n       ,input       wire [23:0] data_in     ,//输入的RGBinput       wire        data_vld    ,output      wire        ready       ,output      wire        pwm                 //输出波形
);localparam      IDLE = 3'b001,RST  = 3'b010,DATA = 3'b100;localparam      T0H = 300/20,T0L = 900/20,T1H = 600/20,T1L = 600/20;parameter MAX_RES = 15'd20_000;reg [2:0]       state_c;//现态
reg [2:0]       state_n;//次态wire            idle_rst    ;//IDLE -> RST
wire            rst_data    ;//RST -> DATA
wire            data_idle   ;//DATA -> IDLEwire [23:0]      fifo_wr_data;
wire [23:0]      fifo_rd_data;
wire             fifo_wr_req;
wire             fifo_rd_req;
wire             fifo_empty;
wire             fifo_full;reg			[14:0]	cnt_res	   	;
wire				add_cnt_res	;
wire				end_cnt_res	;reg			[5:0]	cnt_time	   	;
wire				add_cnt_time	;
wire				end_cnt_time	;reg			[4:0]	cnt_bit	   	;
wire				add_cnt_bit	;
wire				end_cnt_bit	;reg			[6:0]	cnt_num	   	;
wire				add_cnt_num	;
wire				end_cnt_num	;reg               pwm_r;//****************************************************************
//--                状态机
//****************************************************************
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginstate_c <= IDLE;endelse beginstate_c <= state_n ;end
endalways @( *) begincase (state_c) IDLE : beginif(idle_rst) beginstate_n = RST;endelse beginstate_n = state_c;endendRST : beginif(rst_data) beginstate_n = DATA;endelse beginstate_n = state_c;endendDATA : beginif(data_idle) beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n = state_c;endendendcase
endassign  idle_rst   = state_c == IDLE && data_vld; 
assign  rst_data   = state_c == RST  && end_cnt_res;
assign  data_idle  = state_c == DATA  && end_cnt_num;//****************************************************************
//--fifo
//****************************************************************
fifo	fifo_inst (.aclr ( ~rst_n ),.clock ( clk ),.data ( fifo_wr_data ),//GRB.rdreq ( fifo_rd_req ),.wrreq ( fifo_wr_req ),//GRB.empty ( fifo_empty ),.full ( fifo_full ),.q ( fifo_rd_data ),.usedw ( ));assign fifo_wr_data = {data_in[15:8],data_in[23:16],data_in[7:0]};
assign fifo_wr_req = data_vld && ~fifo_full;assign fifo_rd_req = end_cnt_bit && ~fifo_empty;
//****************************************************************
//--                复位时间
//****************************************************************always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_res <= 'd0;end else if(add_cnt_res)begin if(end_cnt_res)begin cnt_res <= 'd0;endelse begin cnt_res <= cnt_res + 1'b1;end end
end assign add_cnt_res = state_c == RST;
assign end_cnt_res = add_cnt_res && cnt_res == MAX_RES - 1;//****************************************************************
//--                数据传输时间
//****************************************************************always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_time <= 'd0;end else if(add_cnt_time)begin if(end_cnt_time)begin cnt_time <= 'd0;endelse begin cnt_time <= cnt_time + 1'b1;end end
end assign add_cnt_time = state_c == DATA;
assign end_cnt_time = add_cnt_time && cnt_time == 1200/20 - 1;always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_bit <= 'd0;end else if(add_cnt_bit)begin if(end_cnt_bit)begin cnt_bit <= 'd0;endelse begin cnt_bit <= cnt_bit + 1'b1;end end
end assign add_cnt_bit = end_cnt_time;
assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 24 - 1;always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_num <= 'd0;end else if(add_cnt_num)begin if(end_cnt_num)begin cnt_num <= 'd0;endelse begin cnt_num <= cnt_num + 1'b1;end end
end assign add_cnt_num = end_cnt_bit;
assign end_cnt_num = add_cnt_num && cnt_num == 64 - 1;//****************************************************************
//--            pwm输出
//****************************************************************
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginpwm_r <= 0;endelse begincase (state_c)IDLE : beginpwm_r <= 0;endRST : beginpwm_r <= 0;endDATA : beginif(fifo_rd_data[23-cnt_bit] == 0) beginif(cnt_time < T0H)beginpwm_r <= 1;endelse beginpwm_r <= 0;endendelse if(fifo_rd_data[23-cnt_bit] == 1) beginif(cnt_time < T1H)beginpwm_r <= 1;endelse beginpwm_r <= 0;endendenddefault  : pwm_r <= 0;endcaseend
endassign pwm = pwm_r;
assign ready = state_c == IDLE;endmodule //led_control

数据控制模块：

/** @Description: 显示图片* @Author: Fu Yu* @Date: 2023-08-14 10:04:45* @LastEditTime: 2023-08-14 15:32:59* @LastEditors: Fu Yu*/module ws2812_control(input               clk             ,input               rst_n           ,output     [23:0]   pix_data        ,output              pix_data_vld    ,input               ready                   //可以接收图像数据了
);parameter   IDLE    =   0,DATA     =   1,DONE     =   2;reg     [2:0]   state   ;reg	[5:0] cnt_x;wire		  add_x_cnt,end_x_cnt;	reg	[4:0] cnt_y;wire		  add_y_cnt,end_y_cnt;	localparam	RED     =   24'hFF0000,   //红色ORANGE  =   24'hFF8000,   //橙色YELLOW  =   24'hFFFF00,   //黄色GREEN   =   24'h00FF00,   //绿色CYAN    =   24'h00FFFF,   //青色BLUE    =   24'h0000FF,   //蓝色PURPPLE =   24'h8000FF,   //紫色BLACK   =   24'h000000,   //黑色WHITE   =   24'hFFFFFF,   //白色GRAY    =   24'hC0C0C0;	  //灰色wire        rom_rd_req      ;
wire        rom_rd_data_vld ;
reg         rom_rd_req1     ;
reg         rom_rd_req2     ;
/**************************************************************状态机
**************************************************************/always@(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)state <= IDLE;else case(state)IDLE		:	if(ready)state <=DATA;DATA		:	if(end_y_cnt)state <=DONE;default :	state <= IDLE;endcase/**************************************************************图像数据个数计数器
**************************************************************/       always@(posedge clk or negedge rst_n)	if(!rst_n)								cnt_x <= 'd0;						else    if(add_x_cnt) begin				if(end_x_cnt)						cnt_x <= 'd0;  				else									cnt_x <= cnt_x + 1'b1;		end											assign add_x_cnt = state == DATA;assign end_x_cnt = add_x_cnt && cnt_x == 8 - 1;always@(posedge clk or negedge rst_n)	if(!rst_n)								cnt_y <= 'd0;						else    if(add_y_cnt) begin				if(end_y_cnt)						cnt_y <= 'd0;  				else									cnt_y <= cnt_y + 1'b1;		end											assign add_y_cnt = end_x_cnt;assign end_y_cnt = add_y_cnt && cnt_y == 8 - 1;//    assign pix_data_vld = add_x_cnt;// always@(*)//     case(cnt_y)//         0       :   pix_data = RED      ;//         1       :   pix_data = ORANGE   ;//         2       :   pix_data = YELLOW   ;//         3       :   pix_data = GREEN    ;//         4       :   pix_data = CYAN     ;//         5       :   pix_data = BLUE     ;//         6       :   pix_data = PURPPLE  ;//         7       :   pix_data = GRAY     ;//         default :   pix_data = RED      ;//     endcaserom	rom_inst (.aclr       ( ~rst_n ),.address    ( cnt_x + cnt_y*8 ),.clock      ( clk ),.rden       (  rom_rd_req),.q          ( pix_data));assign rom_rd_req = state == DATA;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginrom_rd_req1 <= 0 ;rom_rd_req2 <= 0 ;endelse beginrom_rd_req1 <= rom_rd_req ;rom_rd_req2 <= rom_rd_req1 ;end
endassign pix_data_vld = rom_rd_req2;endmodule

2、动态显示

动态显示图片时，只需要改变数据控制模块，以及所需要显示的数据图片，

/** @Description: 动态显示图片* @Author: Fu Yu* @Date: 2023-08-14 15:34:55* @LastEditTime: 2023-08-14 17:21:36* @LastEditors: Fu Yu*/module ws2812_control_dynamic(input               clk             ,input               rst_n           ,output     [23:0]   pix_data        ,output              pix_data_vld    ,input               ready                   //可以接收图像数据了
);parameter   IDLE     =   0 ,DATA     =   1 ,DELAY    =   2 ,DONE     =   3 ;reg     [2:0]   state   ;reg	[5:0] cnt_x;wire		  add_x_cnt,end_x_cnt;	reg	[4:0] cnt_y;wire		  add_y_cnt,end_y_cnt;	reg			[24:0]	cnt_500ms	   	;
wire				add_cnt_500ms	;
wire				end_cnt_500ms	;parameter MAX_500MS = 25'd24_999_999;reg			[5:0]	cnt_offest	   	;
wire				add_cnt_offest	;
wire				end_cnt_offest	;wire  [4:0] real_row;//0~31wire        rom_rd_req      ;
wire        rom_rd_data_vld ;
reg         rom_rd_req1     ;
reg         rom_rd_req2     ;
/**************************************************************状态机
**************************************************************/always@(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n)state <= IDLE;else case(state)IDLE		:	if(ready)state <=DATA;DATA		:	if(end_y_cnt)state <=DELAY;DELAY       :   if(end_cnt_500ms)state <= IDLE;default :	state <= IDLE;endcase//****************************************************************
//--500ms
//****************************************************************always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_500ms <= 'd0;end else if(add_cnt_500ms)begin if(end_cnt_500ms)begin cnt_500ms <= 'd0;endelse begin cnt_500ms <= cnt_500ms + 1'b1;end end
end assign add_cnt_500ms = state == DELAY;
assign end_cnt_500ms = add_cnt_500ms && cnt_500ms == MAX_500MS;/**************************************************************图像数据个数计数器
**************************************************************/       always@(posedge clk or negedge rst_n)	if(!rst_n)								cnt_x <= 'd0;						else    if(add_x_cnt) begin				if(end_x_cnt)						cnt_x <= 'd0;  				else									cnt_x <= cnt_x + 1'b1;		end											assign add_x_cnt = state == DATA;assign end_x_cnt = add_x_cnt && cnt_x == 8 - 1;always@(posedge clk or negedge rst_n)	if(!rst_n)								cnt_y <= 'd0;						else    if(add_y_cnt) begin				if(end_y_cnt)						cnt_y <= 'd0;  				else									cnt_y <= cnt_y + 1'b1;		end											assign add_y_cnt = end_x_cnt;assign end_y_cnt = add_y_cnt && cnt_y == 8 - 1;//****************************************************************
//--帧偏移
//****************************************************************always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begincnt_offest <= 'd0;end else if(add_cnt_offest)begin if(end_cnt_offest)begin cnt_offest <= 'd0;endelse begin cnt_offest <= cnt_offest + 1'b1;end end
end assign add_cnt_offest = end_cnt_500ms;
assign end_cnt_offest = add_cnt_offest && cnt_offest == 32 - 1;assign real_row = cnt_x + cnt_offest;rom2	rom2_inst  (.aclr       ( ~rst_n ),.address    ( real_row + cnt_y*32 ),.clock      ( clk ),.rden       (  rom_rd_req),.q          ( pix_data));assign rom_rd_req = state == DATA;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginrom_rd_req1 <= 0 ;rom_rd_req2 <= 0 ;endelse beginrom_rd_req1 <= rom_rd_req ;rom_rd_req2 <= rom_rd_req1 ;end
endassign pix_data_vld = rom_rd_req2;endmodule