基于stm32f103c8t6最小系统板的ws2812b广告牌设计——桂林电子科技大学软硬件小学期课设

前言：

由于原理图设计和PCB打板出现些许问题，预定准备的字库存储芯片和蓝牙模块没有用上，在该背景下，我将仅使用最小系统板，2个独立按键以及2块8*32的ws2812灯带，实现的效果仅是内置好汉字和英文效果。有需要的自行优化。

一、项目背景

本项目使用 STM32F103C8T6 最小系统板作为控制器，驱动两块8×32 WS2812B点阵屏。两块灯板左右级联后，共有512颗LED，逻辑显示区域为16列×32行。

项目最终需要实现：

• 显示16×16汉字；
• 预设中文内容向上滚动；
• 显示英文“hello world”；
• PA11切换中英文内容；
• PA12切换滚动、静止和闪烁模式；
• 使用USB-TTL完成程序下载和串口调试；

从功能上看，这只是一个文字滚动灯牌，但实现过程中同时涉及WS2812B时序、定时器PWM、DMA、坐标映射、字模、供电、信号完整性和硬件装配等问题。

二、项目需求

面包板（用于后续+5v和GND共地）

外部电源（8*32的ws2812灯带在满负载的情况下，电流可以达到15.36A，而灯带需要的电压至少+5V，最小系统板一般只能提供+3.3V）

stm32f103c8t6最小系统板

直插式独立按键2个

三、项目效果

由于学校发的只是2个8*32的灯带，如果是8*8取字模的话，基本看不清，所以用2个灯带拼接在一起。

四、项目难点

1.WS2812B并不适合只依赖Proteus验证

Proteus比较适合验证普通GPIO、按键、串口、定时器和LCD等常规外围电路，但WS2812B属于对波形时间要求比较严格的数字器件。

它的每个数据位周期大约只有1.25 μs，逻辑0和逻辑1并不是通过普通高低电平区分，而是通过高电平持续时间区分。因此，仿真模型必须准确处理：

• 800 kbit/s单总线数据；
• T0H和T1H高电平时间；
• 24位GRB颜色顺序；
• 多颗灯珠的数据截取和转发；
• 帧末尾的复位低电平；
• 数百颗灯珠的连续级联。

2.WS2812B不是普通LED

普通LED只需要输出高低电平，而WS2812B内部带有控制芯片，每颗灯珠需要接收24位颜色数据，顺序通常为：

G7...G0 → R7...R0 → B7...B0

第一颗灯珠保留前24位，再把后面的数据转发给下一颗。发送完全部数据后，数据线需要保持足够长的低电平，让所有灯珠同时锁存颜色。

因此，驱动程序必须同时保证：

• 位周期正确；
• 0码和1码高电平宽度正确；
• GRB顺序正确；
• 灯珠数量正确；
• 发送数据不能中断；
• 帧尾复位时间足够。

任何一项错误都可能表现为随机颜色、局部点亮或整板爆闪。

3. PWM与DMA方案

系统时钟为64 MHz，一个时钟计数约为：

1 ÷ 64 MHz = 15.625 ns

WS2812B每个数据位周期约为1.25 μs，因此设置80个定时器计数：

80 × 15.625 ns = 1.25 μs

项目采用的PWM比较值为：

逻辑0：CCR = 22，高电平约0.344 μs 逻辑1：CCR = 45，高电平约0.703 μs

程序先把每个数据位转换为22或45，再由DMA连续写入TIM1的CCR1寄存器。这样每一个脉冲都由硬件产生，稳定性高于软件延时。

4.灯板级联与坐标映射

1. 物理连接方式容易理解错误

最初对灯板内部级联方向的理解有误，以为灯珠按照逐列方式连接。实际灯板采用逐行蛇形连接：

第0行：从左到右 第1行：从右到左 第2行：从左到右 第3行：从右到左 ……

如果仍然按照普通二维数组计算序号，显示出来的文字就会左右翻转、笔画断裂，甚至出现左右亮、中间不亮的固定图案。

2. 两块灯板级联后的映射

两块8×32灯板左右放置：

左侧灯板：物理序号0～255 右侧灯板：物理序号256～511

逻辑屏幕尺寸为16×32。坐标转换可以写成：

panel = x / 8; local_x = x % 8; base = panel * 256; if ((y % 2) == 0) index = base + y * 8 + local_x; else index = base + y * 8 + (7 - local_x);

这样，字模程序只处理普通的x、y坐标，底层映射函数负责处理左右灯板和蛇形方向。

5.WS2812B的电源电流不能忽略

理论上，一颗WS2812B全白高亮时电流可能达到约60 mA。512颗全部全白的理论电流可能非常大：

512 × 60 mA = 30.72 A

实际项目使用低亮度单色显示，电流远低于这个数值，但PCB和接线仍不能按照普通小信号电路处理。

打板时应考虑：

• 5V电源使用较宽铜线或大面积铺铜；
• 两块灯板分别注入电源；
• 避免让全部电流经过最小系统板；
• 灯板入口增加大容量电解电容；
• 每个模块附近增加0.1 μF去耦；
• 数据地和电源地可靠连接；
• 电源接口需要留有足够电流余量。
  
  

6. 下载接口必须提前考虑

因为项目只有USB-TTL，没有ST-Link，所以需要使用STM32内部Bootloader下载：

USB-TTL TX → PA10 USB-TTL RX → PA9 USB-TTL GND → STM32 GND

打板时应预留：

• PA9；
• PA10；
• GND；
• BOOT0跳帽或按键；
• RESET按键。

五、项目总结

在初期准备上没有准备好原理图，PA9和PA10引脚没有引出来，导致下载插拔困难。在遇到ws2812的各种问题并解决，在有限的情况下，尽量做出来的半成品。