目前，例如 Arduino 和 Feather 等高階開發平台已經提供了出色的支援，可以通過易於使用的程式庫和普遍使用的示例程式碼與 NeoPixel LEDs 、燈條 、矩陣等相連接。然而，更高階的平台（例如 STM32 開發板）通常缺乏相同水平的支援。因此，希望將 NeoPixel 整合到項目中的開發人員需要全面了解 NeoPixel 通訊協議以及如何克服它所帶來的挑戰。
NeoPixels
Adafruit 推出一款十分受歡迎的可尋址全彩 LED 燈「NeoPixel系列」，提供 RGB 和 RGBW 兩個種類。儘管二者都將紅、綠和藍色 LED 與驅動器晶片相集成，但 RGBW 組件還集成了第四個純白色的 LED。可以使用類似的單線序列介面來控制這兩種類型的 NeoPixel，其時序值和數據結構協定僅存在微小的差異。
WS2812
RGB NeoPixel 實際上是 WS2812 智能控制 LED，包括數據訊號輸入引腳（DIN）和數據訊號輸出引腳（DOUT）。這允許多個 LED 串接並且只需一個數據線進行控制。鏈中的第一個 LED 負責處理從 MCU 接收到的前三個字節數據，然後將後續的數據簡單地轉發給 DOUT 引腳，該引腳可以連接到另一個 LED 的 DIN 引腳。 LED 將以此方式繼續向下傳遞數據，直到它們接收到重置訊號為止（即是 DIN 線在一段時間內持續保持低電平狀態）。傳輸的字節按照圖1所示的協定進行組織。第一個字節（G7-G0）表示綠色 LED的 8位 PWM 強度，其中 0x00 是完全關閉，0xFF 是完全開啟。如此類推，第二個字節（R7-R0）用於控制紅色 LED 的強度，第三個字節（B7-B0）用於控制藍色LED的強度。
圖 1 ： WS2812 LED 的3字節數據協定結構
每一個這樣的24位數據都是通過改變方波的脈衝寬度來進行編碼，如圖2所示。請注意，無論發送編碼0還是編碼1，方波的周期仍保持在 1.25μs。對於 WS2812，使數據線保持低電平至少 50μs 即可產生重置訊號。另外，圖2中顯示的時序值具有 ±0.15μs 的公差。
圖 2 ： WS2812 LED 的0和1位的時序圖。
SK6812
一種完全不同的組件，NeoPixel 的 RGBW 種類實際上是 SK6812 智能控制 LED，採用與 WS2812 LED 相同的工作原理。然而，由於它們包含第四個 LED，因此實施了圖3所示的4字節數據協定。與圖1相比，唯一的區別在於數據的序連碼（W7-W0），該字節指定了白色 LED 的8位 PWM 強度。
圖 3 ： SK6812 LED 的4字節數據協定的結構
圖4展示了 SK6812 控制訊號的時序值，同樣與 WS2812 略有差別（不過仍在 ±0.15μs 的公差範圍內）。請注意，這兩種編碼的方波週期均保持不變，都為 1.2μs。此外，SK6812 的重置訊號長度為 80μs ，而非 50μs。
圖 4 ： SK6812 LED 的0位和1位的時序圖。
程序
由於 NeoPixel 的控制訊號對時序要求非常嚴格，因此除非使用組合語言，否則無法通過簡單的位元響應（bit-banging）方法產生此訊號。雖然還有許多其他方法可以利用各種 MCU 周邊裝置、外置硬體或其組合來生成該訊號，但其中最直接的方法是配置 MCU 定時器來產生 PWM 輸出訊號。如上述，這是因為 NeoPixel 控制信號只是一種固定頻率的 PWM 訊號，採用不同的工作週期表示0位和1位。為了以與傳輸協定相同的速率高效地在這兩個佔空比之間進行切換，還必須配置 DMA 流來管理更新。儘管這種方法可能是內存效率最低的方式，但它易於理解、CPU 高效並且易於實施（受惠於 STM32Cube 環境）。
以下應用程式利用 STM32CubeIDE（版本1.8.0）、NUCLEO-F401RE 開發板和 RGBW 5x8 NeoPixel Shield 實現上述的方法。不過，這些步驟可以輕鬆地推廣到任何 STM32 MCU / 板和NeoPixel 產品上。假定我們已經建立了一個 STM32CubeIDE 項目。如需使用其他 IDE，你可以改為使用獨立的 STM32CubeMX 編碼配置器工具，將項目導出到所需的開發平台上。
1. 配置PWM
a. 先開啟 STM32CubeMX 配置 .ioc 文件（如果還未開啟的話）。隨後，STM32CubeIDE 將切換到元件配置工具（Device Configuration Tool ） 透視圖來配置 MCU。
b. 將定時器通道備用功能分配給選定的 GPIO 引腳，以與 NeoPixel（一個或多個） 進行連接。所選定時器通道應該能夠生成 PWM 輸出。圖5顯示了我的項目中的相關部分，我選擇了引腳 PB10，並將它分配給定時器2、通道3（TIM2_CH3）功能。
圖 5 ： 將連接到 DIN 的 GPIO 引腳配置為定時器通道。
c. 從左邊的組件列表中選擇上一步中確定的定時器周邊裝置，以開啟模式和配置（Mode and Configuration ） 面板。在模式（Mode）面板中，選擇「內部時鐘」作為時鐘源，並從適當的定時器通道的下拉列表中選擇「PWM 產生 CHx」。在圖6中，定時器2、通道3已設為「PWM 產生 CH3」模式，因為我在上一步中選擇了 TIM2_CH3 交替功能。請注意，在完成此步驟後，有關的 GPIO 引腳應在引腳排列視圖中從黃色變為綠色。
d. 在定時器的配置（Configuration）面板中，驗證「預分頻器」和「脈衝」值是否都設置為0。計數器週期，即自動重載寄存器（AutoReload Register ，以下簡稱ARR）需要進行設置以得到所需的PWM 週期（如果使用 RGB WS2812 LED，則為 1.25μs； 如果使用 RGBW SK6812 LED，則為1.2μs）。這將取決於定時器周邊裝置輸入的速率。將所需的 PWM 週期除以時鐘週期，並減去1即可得到此值（減去1是因為定數器從0開始）。就我的元件而言，該公式得出的 ARR 值為 99.8，我將其四捨五入為 100（圖6）。請閱讀下文了解有關計算 ARR 理想值的詳細說明。
圖 6 ： 將所選定時器通道配置為PWM輸出。
計算 ARR 值
假設定時器「預分頻器」值設為0，可以很容易的計算出 ARR 值
具體來說，ARR 值等於 PWM 訊號週期除以定時器周邊裝置的時鐘訊號週期。我們知道，根據使用的NeoPixel 類型不同，TPWM 可以是 1.25μs 或 1.2μs（例如本例中，TPWM=1.2μs）。要確定 Ttimer，你需要查閱 MCU 的規格書，確定定時器周邊裝置連接到哪個總線。規格書可以在 ST 的網站上找到或STM32CubeIDE 會隨附提供：選擇 Help > Target Device Docs and Resources 。然後，在 MCU 選項欄下選擇規格書，如圖7所示。
圖 7 ： 閱讀 MCU 規格書
在我使用的MCU（STM32F401RE）規格書中，MCU 方塊圖中顯示我的定時器（TIM2）已連接到 APB1（見圖8）。
圖 8 ： STM32F401xD/xE的部分方塊圖（源自 DS10086）
圖9 解釋了通過切換到 STM32CubeIDE 的 Clock Configuration 選項欄，我們可以發現 TIM2 的時鐘頻率為 84MHz ! (T_{timer} = \frac{1}{f_{timer}} = \frac{1}{84\text{ MHz}})。
圖 9 ： 確定定時器時鐘頻率
因此，
為了使 PWM 週期盡可能接近NeoPixel控制訊號的週期，我們四捨五入至最接近的整數並得到 ARR =100.
2. 配置DMA
a. 從零件列表中，選擇 DMA 周邊裝置。
b. 在 Configuration 面板的 DMA1 選項欄下，按 Add 按鈕。在下拉式選項單中，選擇你的定時器/通道組合。在我的項目中，我選擇了「TIM2_CH3/UP」。
c. 針對新的DMA請求，將方向改為 「Memory To Peripheral」。
d. 同時，將 Priority 優先級改為「Very High」。
e. 驗證預設的 DMA 請求設置是否與圖10中顯示的相同。
f. 儲存 .ioc 文件，以產生項目編碼。
3. 編寫程式
在 main.c 文件中，按從上到下的順序編寫，本部分展示了一個簡單的示例應用，用於測試 NeoPixel LED 的全色彩顯示能力。此處提供了兩個版本的 main（）函數，一個用於 RGB WS2818 LED，一個用於 RGBW SK6812 LED。
a. 在 main.c 文件的私用 typedef 部分，你可以建立一個新的數據類型，以便輕鬆存取單個 LED 顏色值以及整個 NeoPixel 數據結構（如圖1和圖3所示）。清單1提供了 RGB 和 RGBW NeoPixel 零件的typedef。此編碼應貼在 /* USER CODE BEGIN PTD */ 和 /* USER CODE END PTD */ 註解之間。
清單 1 ： 為 RGB WS2812 和 RGBW SK6812 LED 客製數據類型
typedef union
{
struct
{
uint8_t b;
uint8_t r;
uint8_t g;
} color;
uint32_t data;
} PixelRGB_t;
typedef union
{
struct
{
uint8_t w;
uint8_t b;
uint8_t r;
uint8_t g;
} color;
uint32_t data;
} PixelRGBW_t;
b. 更改「脈衝」寄存器（也稱為 CCRx）的值，這樣可以改變 PWM 波形的工作週期。因此，我們必須計算適當的 CCRx 值，以實現使用的 NeoPixels 所需的編碼0和編碼1方波（無論如圖2還是圖4中所示）。對於 RGB WS2812 LED，這些值計算如下：
對於 RGBW SK6812 LED，其計算過程稍有不同。
當然，這些計算出的值應該四捨五入到最接近的整數。在 main.c 文件的私用定義部分，為每個值建立一個 #define 指令（請參見以下圖11中的示例）。
c. 除了 CCRx 值之外，還應在私用定義部分中定義控制的 NeoPixel LED 數量和 DMA 緩衝區大小。如圖11所示，只需將 LED 的數量乘以相應的 NeoPixel 數據結構中的位元數即可（回想圖1和圖3）。還必須分配一個額外的緩衝區元素，因為最後一個 CCRx 值應為零（重置訊號）。
圖 11 ： WS2812 和 SK6812 LED 的私用定義
d. 將清單2中提供的 DMA 完成回調函數加在到 /* USER CODE BEGIN 0 */ 和 /* USER CODE END 0*/ 之間的私用用戶編碼部分。必須將 TIM_CHANNEL_x 更改為步驟1c中配置的通道。
清單 2 ： HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback() 函數的應用
void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
HAL_TIM_PWM_Stop_DMA(htim, TIM_CHANNEL_x);
}
e. 最後，必須將應用編碼加在 main（）函數中。列表3提供了一個使用 WS2812 LED 的示例 main（）函數，而列表4提供了使用 SK6812 LED 的類似示例 main（）函數。請注意，HAL_TIM_PWM_Start_DMA（）函數的 TIM_CHANNEL_x 參數必須再次進行修改，以匹配步驟1c中配置的通道。
清單 3 ： RGB WS2812 LED 的示例 main（）函數
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
PixelRGB_t pixel[NUM_PIXELS] = {0};
uint32_t dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};
uint32_t *pBuff;
int i, j, k;
uint16_t stepSize;
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART2_UART_Init();
MX_DMA_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
k = 0;
stepSize = 4;
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
for (i = (NUM_PIXELS - 1); i > 0; i--)
{
pixel[i].data = pixel[i-1].data;
}
if (k < 255)
{
pixel[0].color.g = 254 - k; //[254, 0]
pixel[0].color.r = k + 1; //[1, 255]
pixel[0].color.b = 0;
}
else if (k < 510)
{
pixel[0].color.g = 0;
pixel[0].color.r = 509 - k; //[254, 0]
pixel[0].color.b = k - 254; //[1, 255]
j++;
}
else if (k < 765)
{
pixel[0].color.g = k - 509; //[1, 255];
pixel[0].color.r = 0;
pixel[0].color.b = 764 - k; //[254, 0]
}
k = (k + stepSize) % 765;
// not so bright
pixel[0].color.g >>= 2;
pixel[0].color.r >>= 2;
pixel[0].color.b >>= 2;
pBuff = dmaBuffer;
for (i = 0; i < NUM_PIXELS; i++)
{
for (j = 23; j >= 0; j--)
{
if ((pixel[i].data >> j) & 0x01)
{
*pBuff = NEOPIXEL_ONE;
}
else
{
*pBuff = NEOPIXEL_ZERO;
}
pBuff++;
}
}
dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE - 1] = 0; // last element must be 0!
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_x, dmaBuffer, DMA_BUFF_SIZE);
HAL_Delay(10);
}
/* USER CODE END 3 */
}
清單 4 ： RGBW SK6812 LED 的示例 main（）函數
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
PixelRGBW_t pixel[NUM_PIXELS] = {0};
uint32_t dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE] = {0};
uint32_t *pBuff;
int i, j, k;
uint16_t stepSize;
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART2_UART_Init();
MX_DMA_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
k = 0;
stepSize = 4;
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
for (i = (NUM_PIXELS - 1); i > 0; i--)
{
pixel[i].data = pixel[i-1].data;
}
if (k < 255)
{
pixel[0].color.g = 254 - k; //[254, 0]
pixel[0].color.r = k + 1; //[1, 255]
pixel[0].color.b = 0;
pixel[0].color.w = 0;
}
else if (k < 510)
{
pixel[0].color.g = 0;
pixel[0].color.r = 509 - k; //[254, 0]
pixel[0].color.b = k - 254; //[1, 255]
pixel[0].color.w = 0;
j++;
}
else if (k < 765)
{
pixel[0].color.g = 0;
pixel[0].color.r = 0;
pixel[0].color.b = 764 - k; //[254, 0]
pixel[0].color.w = k - 509; //[1, 255]
}
else if (k < 1020)
{
pixel[0].color.g = k - 764; //[1, 255]
pixel[0].color.r = 0;
pixel[0].color.b = 0;
pixel[0].color.w = 1019 - k; //[254, 0]
}
k = (k + stepSize) % 1020;
// 50% brightness
pixel[0].color.g >>= 2;
pixel[0].color.r >>= 2;
pixel[0].color.b >>= 2;
pixel[0].color.w >>= 2;
pBuff = dmaBuffer;
for (i = 0; i < NUM_PIXELS; i++)
{
for (j = 31; j >= 0; j--)
{
if ((pixel[i].data >> j) & 0x01)
{
*pBuff = NEOPIXEL_ONE;
}
else
{
*pBuff = NEOPIXEL_ZERO;
}
pBuff++;
}
}
dmaBuffer[DMA_BUFF_SIZE - 1] = 0; // last element must be 0!
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_x, dmaBuffer, DMA_BUFF_SIZE);
HAL_Delay(10);
}
/* USER CODE END 3 */
}
該項目現在應該能夠成功建立，並能夠在您的設備上運作此編碼了。
結論
使用邏輯分析儀捕捉了上面提供的 RGB 和 RGBW 配置產生的控制訊號。分別如圖12和圖13中所示。請注意，它們與圖2和圖4中指定的預期輸出相匹配。
圖 12 ： 產生的 WS2812 控制訊號（正在發送0b0011……）
圖 13 ： 產生的 SK6812 控制訊號（正在發送0b0010……）