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PIC2WS2812		 Steuerung von WS2812-LEDs mit 8-Bit PIC Microcontroller
Grundlagen
Die PIC Lösung
Software
Defines

Lösung mit einem (kleinen) PIC

Im WWW findet man diverse Lösungen zur Ansteuerung von WS2812 LEDs mit Mikrocontrollern, meist auf Basis von Atmel-Mikrocontrollern/Arduino. Fast immer wird Bit-Banging für die Erzeugung des WS2812-Datensignals benutzt. Diese Lösung hat prinzipiell einen Nachteil: der Controller ist während der Datenausgabe zu 100% ausgelastet und kann in dieser Zeit nichts anderes tun, als vorab gespeicherte LED-Daten an die LEDs zu schicken. Für eine Berechnung von Lichtmustern ist daher auch die maximale Anzahl der LEDs durch die Größe des zur Verfügung stehenden RAMs begrenzt, denn das komplette Datenpaket muss ja vor der Übertragung erst im Speicher zusammengebaut werden. Außerdem kann der Controller während der Übertragung nicht auf Ereignisse von außen reagieren, wie z.B. Datenempfang auf einer seriellen Schnittstelle. Es gibt von Microchip eine Application Note (AN1606) für PIC16F1509, wo das Signal mit Hilfe der Confiigurable Logic Cell (CLC) und dem MSSP-Modul (als SPI-Schnittstelle) erzeugt wird und so die Notwendigkeit des Bit-Bangings umgangen wird. Dieser Lösungsansatz ließ mich über eine alternative Lösung für einen kleineren Controller (ohne CLC) nachdenken. Die Motivation dafür war nicht, eine fertige Lösung für meine (ohnehin nicht vorhandene) WS2812-Anwendung zu finden, sondern auszutüfteln, was man mit den beschränkten Hardware-Resourcen des in der Bastelkiste vorhandenen PIC12F1840 anstellen kann...

Die Herausforderung:

  • Erzeugung des Datensignals mit Timing entsprechend der Spezifikation lt. Datenblatt
  • unter Verwendung von ausschließlich "onboard"-Hardware  des PIC12F1840 (keine weiteren, externen Bauteile)
  • keine Beschränkung der LED-Anzahl durch RAM-Größe 
Die Überlegungen zur Nutzung der On-Chip Peripherie des PIC12F1840 für die Hardware-unterstützte Modulation des LED-Datensignals ergaben dann folgendes Blockschaltbild:


Und hier der Schaltplan:

Funktionsweise:

Die kurzen Impulse (250ns) für die "0"-Bits werden als PWM-Signal durch TMR2 in Verbindung mit dem CCP1-Modul erzeugt. Für die längeren "1"-Bit Impulse (625ns) wird das SPI Clock-Signal (SCL) benutzt. Durch genau abgestimmtes Timing beim Schreiben in die Register wird erreicht, daß die steigenden Flanken vom SCL- und PWM-Signal exakt gleichzeitig auftreten. Diese beiden Signale bilden die Carrier-Eingangssignale (MDCINx) des Data Signal Modulators. Dieses Modul schaltet, je nach Signalpegel am Modulations-Eingang (MDMIN), das eine oder das andere Carrier-Signal zum Ausgang durch. Angesteuert wird der DSM durch den Daten-Ausgang (SDO) vom SPI. Auf den dazwischengeschalteten Comparator kommen wir gleich. Wenn SDO eine "0" ausgibt, wird der MDCIN2-Eingang zum Ausgang durchgeschaltet (PWM = kurzer Impuls für "0"), wenn das SPI eine "1" ausgibt, wird der MDCIN1-Eingang zum Ausgang durchgeschaltet (SCL = langer Impuls für "1"). 
Leider gibt es keine Möglichkeit, intern im PIC den SCL-Ausgang direkt auf den Carrier-Eingang des DSM zu schalten. Daher ist extern eine Brücke zwischen den beiden Pins (5+6) am PIC notwendig. Durch diese externe Verbindung ergäbe sich nun eine etwas längere Laufzeit des (SCL->MDCIN1)-Signals gegenüber einem intern verbundenen (SDO->MDMIN)-Signals, was beim Wechsel von 0 nach 1 kurze Störimpulse am Ausgang des DSM erzeugt würde. Hier wird der Comparator deshalb zur Signal-Verzögerung (seine Durchlaufzeit ist ca. 200 ns) eingesetzt, um die Flanke des MDMIN-Signals in den Zeitbereich zu  verschieben, wo das MDCIN1-Signal stabil auf 0-Pegel liegt und keine "Glitches" mehr auftreten können.
Wenn ein Byte fertig übertragen wurde, muss die Software rechtzeitig eingreifen, denn die sonst weiterlaufende PWM-Logik würde weitere Impulse erzeugen. Daher wird schon vor der Ausgabe des letzten Bits, bereits beim vorletzten (= 7.) PWM-Impuls, über den Postscaler von TMR2 ein Interrupt ausgelöst, durch den rechtzeitig die Ausgabe des nächsten Datenbytes oder das kontrollierte Ende der Datenübertragung veranlasst wird. Nur so ist auch die zügige Ausgabe der Daten, ohne unnötig große Lücken zwischen den Datenbytes, möglich.
Dennoch muss hier ein kleiner Abstrich bei der Übertragungsrate gegenüber der "idealen" Datenrate von 800 Kbit/s (= 10 µs/Byte) hingenommen werden! Das SPI Senderegister des PIC ist nicht gepuffert und erlaubt das Schreiben des nächsten Datenbytes erst, nachdem das letzte Datenbyte vollständig ausgegeben wurde. Hierdurch ergibt sich ein kleiner "Overhead" von 0,5µs zwischen zwei Bytes, so daß effektiv alle 10,5 µs ein Byte gesendet wird.  

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