WS2812B BitBang LEDPixel analysieren und steuern ohne Bibliothek mit LGT8F328P

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Bitbang mit dem LGT8FX und FastIO für schnelle GPIO-Steuerung

In diesem Projekt steuern wir WS2812B RGB-LEDs mithilfe von Bitbanging und einem LGT8FX-Mikrocontroller, der mit FastIO-Funktionen optimiert wird, um eine schnelle und effiziente Steuerung der LEDs zu ermöglichen.

Was ist Bitbanging? Link to heading

Bitbanging ist eine Technik, bei der Bits manuell über GPIO-Pins gesendet werden, anstatt SPI, UART oder I2C zurückzugreifen. Diese Methode erfordert eine präzise Zeitsteuerung (Nanosekunden), um Bits korrekt zu übertragen.

Warum der LGT8FX mit FastIO perfekt ist Link to heading

Der LGT8FX-Mikrocontroller bietet eine besonders schnelle GPIO-Steuerung, die perfekt für Bitbanging-Anwendungen geeignet ist. Mit der Verwendung von FastIO-Funktionen erreichen wir sehr schnelle Impulsfolgen, die für die Steuerung der WS2812B LEDs notwendig sind. Diese Funktionen ermöglichen es uns, die Pins direkt zu steuern und die Reaktionszeit zu minimieren.

Warum benötigen wir Nanosekunden für Bitbanging? Link to heading

Das WS2812B-Protokoll verwendet eine serielle Datenübertragung, bei der jedes Bit als eine Änderung des Signalpegels interpretiert wird. Ein einzelnes Pixel (LED) wird durch 24 Bits definiert, wobei 8 Bits für jede der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) verwendet werden.

Das Timing für die Bitübertragung ist entscheidend:

  • Ein High-Puls von ca. 0,8 µs und ein Low-Puls von 0,45 µs repräsentieren ein logisches “1”-Bit.
  • Ein High-Puls von 0,4 µs und ein Low-Puls von 0,85 µs repräsentieren ein logisches “0”-Bit.

Um diese präzise Taktung zu erreichen, sind Nanosekunden notwendig, da die Steuerung der LEDs auf sehr kurze Zeiträume angewiesen ist. In der Praxis wird die Funktion delayMicroseconds verwendet, um diese Millisekunden- und Mikrosekundenabstände zu erzeugen, was eine korrekte Übertragung und die Interpretation der Bitfolgen durch den WS2812B ermöglicht.

Kurze Codebeschreibung Link to heading

Im folgenden Code definieren wir die sendBit Funktion, um ein einzelnes Bit zu senden. Je nach Zustand des Bits (HIGH oder LOW) setzen wir den Pin auf den entsprechenden Wert und erzeugen mit der delayMicroseconds Funktion die richtigen Zeitabstände.

void sendBit(bool bit) {
  if (bit) {
    fastioWrite(12, HIGH);
    delayMicroseconds(0.8); // T1H
    fastioWrite(12, LOW);
    delayMicroseconds(0.45); // T1L
  } else {
    fastioWrite(12, HIGH);
    delayMicroseconds(0.4); // T0H
    fastioWrite(12, LOW);
    delayMicroseconds(0.85); // T0L
  }
}

Die sendRGB Funktion sendet die RGB-Werte für die WS2812B LEDs, wobei die Reihenfolge der Farben von GRB erwartet wird. Der Code geht bitweise durch die Farbinformationen und überträgt sie mit der sendBit Funktion.

void sendRGB(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) {
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    sendBit((g >> i) & 1); // G-Wert senden
  }
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    sendBit((r >> i) & 1); // R-Wert senden
  }
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    sendBit((b >> i) & 1); // B-Wert senden
  }
}

In der rainbow Funktion wird ein Regenbogenfarbverlauf berechnet, der für jede LED individuell angepasst wird.

void rainbow(uint8_t position, uint8_t &r, uint8_t &g, uint8_t &b) {
  position = 255 - position;
  if (position < 85) {
    r = 255 - position * 3;
    g = 0;
    b = position * 3;
  } else if (position < 170) {
    position -= 85;
    r = 0;
    g = position * 3;
    b = 255 - position * 3;
  } else {
    position -= 170;
    r = position * 3;
    g = 255 - position * 3;
    b = 0;
  }
}

Dieser Code demonstriert, wie mit Bitbanging und FastIO die WS2812B LEDs ohne Bibliotheken effizient gesteuert werden können, während eine hohe Präzision und Geschwindigkeit gewährleistet bleibt.

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