实验 12：WS2812 RGB LED 驱动

🛒 开发板: EK301 GW5A FPGA 开发板 芯片: GW5A-LV25UG324C1/I0 (Arora V 系列)

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一、实验目的

1. 理解 WS2812 单线通信协议——通过单根数据线传输 24-bit RGB 颜色数据。
2. 掌握精密时序生成技术：在 50MHz 时钟下产生纳秒级精度的脉冲序列。
3. 学习用状态机 + 移位寄存器实现串行数据发送。
4. 掌握亮度调节的简单实现——右移截断法（bit-shift dimming）。

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二、实验过程

2.1 硬件连接

信号	方向	FPGA 引脚	Bank	说明
CLK	输入	T9	Bank 4	50MHz 系统时钟
KEY1	输入	C10	Bank 1	切换颜色
KEY2	输入	A10	Bank 1	亮度 +
KEY3	输入	B9	Bank 0	亮度 -
RGB_DATA	输出	R8	Bank 5	WS2812 数据线

EK301 板载 1 颗 WS2812-2020 RGB LED。数据线仅需 1 根 GPIO。

2.2 WS2812 协议解析

WS2812 使用单线归零码（NRZ） 协议，通过不同占空比的脉冲区分 bit 0 和 bit 1：

Bit 0:  ┌───┐────────────────────────┐
        │   │                        │
        └───┘────────────────────────┘
        ←0.4µs→←────── 0.85µs ──────→
        高电平         低电平

Bit 1:  ┌──────────┐───────────────┐
        │          │               │
        └──────────┘───────────────┘
        ← 0.8µs →←── 0.45µs ──────→
        高电平       低电平

RESET:  ────────────────────────
        ←──── > 280µs 低电平 ───→

数据传输格式：24-bit GRB 格式（绿→红→蓝，每色 8-bit），高位在前。

[G7 G6 ... G0] [R7 R6 ... R0] [B7 B6 ... B0]
 ←── 绿色 ──→  ←── 红色 ──→  ←── 蓝色 ──→

⚠️ WS2812 的颜色顺序是 GRB 而非 RGB！绿色在前，红色在中，蓝色在后。

50MHz 时钟下的时序参数（T_clk = 20ns）：

参数	标准值	50MHz 计数值	说明
T0H	0.4µs	20	0 码高电平（400ns）
T0L	0.85µs	43	0 码低电平（850ns）
T1H	0.8µs	40	1 码高电平（800ns）
T1L	0.45µs	23	1 码低电平（450ns）
BIT_TOTAL	1.25µs	63	每位总周期
RST	>280µs	15000	复位低电平（300µs）

实际 WS2812 对时序容差较大（±150ns），以上参数在容差范围内。

2.3 7 种颜色预置

索引	颜色	GRB 编码（24-bit）	说明
0	🟢 绿	24'h00FF00	G=255, R=0, B=0
1	🔴 红	24'h0000FF	G=0, R=255, B=0
2	🔵 蓝	24'hFF0000	G=0, R=0, B=255
3	🟡 黄	24'hFFFF00	G=255, R=255, B=0（红+绿）
4	🩵 青	24'hFF00FF	G=255, R=0, B=255（绿+蓝）
5	🟣 品红	24'h00FFFF	G=0, R=255, B=255（红+蓝）
6	⚪ 白	24'hFFFFFF	G=255, R=255, B=255

2.4 亮度调节（Bit-shift Dimming）

通过右移截断实现 5 档亮度：

wire [7:0] gr = colors[color_idx][23:16] >> (4 - bright);

bright	右移位数	效果	示例（255→）
0	4	最暗（/16）	255 → 15
1	3	较暗（/8）	255 → 31
2	2	中等（/4）	255 → 63
3	1	较亮（/2）	255 → 127
4	0	最亮（/1）	255 → 255

• 上电默认 bright=2（中等亮度）。
• KEY2 增加亮度（bright+1），KEY3 降低亮度（bright-1）。
• bright 范围 [0, 4]，边界检查防止溢出。

2.5 发送状态机

        发送完24bit
    ┌──→ S_BIT ──→ S_RST ──→ 完成 → 重新加载颜色 → S_BIT
    │     ↑                    │
    │     │   bit_idx < 24     │
    │     └────────────────────┘
    │
    └── phase 0..62 → 产生 bit 波形

2.6 模块设计

模块名：ws2812_rgb

端口：

端口	方向	位宽	说明
clk	input	1	50MHz 系统时钟
key	input	[2:0]	KEY1/1/2
rgb_data	output	1	WS2812 数据线

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三、代码逐段讲解

3.1 颜色选择与亮度控制

reg [2:0] color_idx;
reg [2:0] bright;

initial begin
    color_idx = 0;
    bright    = 2;
end

always @(posedge clk) begin
    if (kp[0])                     color_idx <= (color_idx == 6) ? 0 : color_idx + 1;
    if (kp[1] && bright < 4)       bright    <= bright + 1;
    if (kp[2] && bright > 0)       bright    <= bright - 1;
end

• color_idx 在 0~6 之间循环，KEY1 每次按下前进一种颜色。
• bright 带边界保护：< 4 和 > 0 防止溢出。
• 上电默认绿色、中等亮度。

3.2 亮度衰减计算

wire [7:0] gr = colors[color_idx][23:16] >> (4 - bright);
wire [7:0] rr = colors[color_idx][15:8]  >> (4 - bright);
wire [7:0] br = colors[color_idx][7:0]   >> (4 - bright);

• colors[color_idx] 是 24-bit {G, R, B}。
• bright=4 → >> 0 → 原始亮度。
• bright=0 → >> 4 → 1/16 亮度。
• 组合逻辑，颜色或亮度变化时立即更新。

3.3 发送状态机（核心）

always @(posedge clk) begin
    if (!sending) begin
        // 开始新一帧：加载24-bit颜色数据
        shift    <= {gr, rr, br};
        bit_idx  <= 0;
        sending  <= 1;
        phase    <= 0;
    end else begin
        if (phase < BIT_TOTAL - 1)
            phase <= phase + 1;
        else begin
            phase <= 0;
            if (bit_idx < 24) begin
                bit_idx <= bit_idx + 1;
                shift   <= {shift[22:0], 1'b0};  // 左移，最低位补 0
            end else begin
                sending  <= 0;   // 24-bit 发送完毕，进入 RESET
                rst_cnt <= 0;
            end
        end
    end
end

逐段解析：

1. !sending：空闲状态，加载新颜色数据到移位寄存器，启动发送。
2. phase < BIT_TOTAL-1：当前 bit 还未完成，phase 继续自增。
3. phase == BIT_TOTAL-1 + bit_idx < 24：当前 bit 完成，移动到下一位——bit_idx+1，shift 左移 1 位，最高位（shift[23]）成为新的当前 bit。
4. 24 bit 全部发完：sending=0，进入复位间隙（rst_cnt）。

3.4 bit 波形输出

if (sending && bit_idx < 24)
    rgb_data <= (phase < (shift[23] ? T1H : T0H)) ? 1 : 0;
else
    rgb_data <= 0;

• shift[23] 是当前 bit：1 → 用 T1H/T1L 时序，0 → 用 T0H/T0L 时序。
• phase < T1H（或 T0H）→ 输出高电平；否则输出低电平。
• 不在发送期间 → 输出 0（低电平 = RESET 条件）。

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四、实验现象

操作	预期结果
上电	WS2812 显示绿色，中等亮度
按 KEY1 一次	切换为红色
按 KEY1 多次	依次显示：绿→红→蓝→黄→青→品红→白→绿...
按 KEY2	亮度增加一档（更亮）
按 KEY3	亮度降低一档（更暗）
连续按 KEY2 到最亮	颜色鲜艳明亮
连续按 KEY3 到最暗	颜色微弱但可见

验证要点：

• ✅ 7 种颜色都能正确显示，色彩纯正（无偏色）。
• ✅ 亮度 5 档有明显区分，最暗档仍可见。
• ✅ 颜色切换时无闪烁、无错色。
• ✅ WS2812 在无按键时保持当前颜色（持续刷新）。
• ✅ 如果 LED 显示异常（颜色错乱、不亮），检查 CST 中 rgb_data 引脚是否为 R8。

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五、掌握知识点

知识点	说明	在本实验中的体现
单线协议	1 根数据线传输数据和时钟	WS2812 NRZ 编码
精密时序	纳秒级脉冲宽度控制	50MHz 下 20ns 精度
NRZ 编码	不同占空比区分 0/1	T0H/T0L vs T1H/T1L
移位寄存器	串行输出，每周期移出 1 bit	shift <= {shift[22:0], 1'b0}
Bit-shift 调光	右移截断降低亮度	>> (4-bright)
GRB 颜色序	WS2812 特定颜色顺序	{G,R,B} 而非 {R,G,B}

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附录：源码

top.v

// =============================================================================
// EK301 实验10: WS2812 RGB LED驱动
// KEY1:切换颜色  KEY2:亮度+  KEY3:亮度-  7色循环
// 每50ms自动刷新, 24bit GRB + 300µs复位码
// =============================================================================
module ws2812_rgb (input wire clk, input wire [2:0] key, output reg rgb_data);

// ---- 按键消抖 ----
wire [2:0] kf, ks, kp;
assign kp = kf & ~ks;
key_debounce #(.MS(20)) u0(.clk(clk),.reset_n(1'b1),.key_in(key[0]),.key_flag(kf[0]),.key_state(ks[0]));
key_debounce #(.MS(20)) u1(.clk(clk),.reset_n(1'b1),.key_in(key[1]),.key_flag(kf[1]),.key_state(ks[1]));
key_debounce #(.MS(20)) u2(.clk(clk),.reset_n(1'b1),.key_in(key[2]),.key_flag(kf[2]),.key_state(ks[2]));

// ---- WS2812时序 (50MHz, 20ns) ----
// 0码: 0.4µs高 + 0.85µs低 = 20cyc + 43cyc
// 1码: 0.8µs高 + 0.45µs低 = 40cyc + 23cyc
localparam T0H=20, T0L=43, T1H=40, T1L=23, RST=15000;  // 300µs
localparam BIT_LEN = 63;   // max(T0H+T0L, T1H+T1L)

// ---- 7色 {G,R,B} 顺序: 红绿蓝黄青品白 ----
reg [2:0] color_idx; reg [2:0] bright;  // 0-4档
reg [23:0] color;
initial begin color_idx=0; bright=4; end  // 默认红色, 最大亮度

always @(posedge clk) begin
    if (kp[1] && bright<4) bright <= bright+1;
    if (kp[2] && bright>0) bright <= bright-1;
    if (kp[0]) color_idx <= (color_idx==6) ? 0 : color_idx+1;
end

always @(*) case(color_idx)
    0: color = 24'h0000FF;  // 红
    1: color = 24'h00FF00;  // 绿
    2: color = 24'hFF0000;  // 蓝
    3: color = 24'h00FFFF;  // 黄(R+G)
    4: color = 24'hFFFF00;  // 青(G+B)
    5: color = 24'hFF00FF;  // 品红(R+B)
    6: color = 24'hFFFFFF;  // 白
    default: color = 24'h000000;
endcase

// 亮度调节 (每个分量独立移位, 避免分量间串位)
wire [7:0] gr = color[23:16] >> (4-bright);
wire [7:0] rr = color[15:8]  >> (4-bright);
wire [7:0] br = color[7:0]   >> (4-bright);
wire [23:0] c = {gr, rr, br};

// ---- 50ms定时刷新 ----
localparam REFRESH = 50_000_000 / 20 - 1;  // 50ms
reg [21:0] refresh_cnt;
reg        start_send;

always @(posedge clk) begin
    if (refresh_cnt == REFRESH) begin
        refresh_cnt <= 0;
        start_send  <= 1;
    end else begin
        refresh_cnt <= refresh_cnt + 1;
        start_send  <= 0;
    end
end

// ---- 发送状态机 ----
reg [4:0] bit_cnt;     // 0-23
reg [5:0] phase;       // 0-62
reg [15:0] rst_cnt;
reg [23:0] shift;
reg        busy;

always @(posedge clk) begin
    if (start_send && !busy) begin
        shift   <= c;
        bit_cnt <= 0;
        phase   <= 0;
        busy    <= 1;
    end else if (busy) begin
        if (bit_cnt < 24) begin
            // 发送一个bit
            if (phase < BIT_LEN-1)
                phase <= phase + 1;
            else begin
                phase   <= 0;
                bit_cnt <= bit_cnt + 1;
                shift   <= {shift[22:0], 1'b0};
            end
            // 输出: 0码或1码
            rgb_data <= (phase < (shift[23] ? T1H : T0H)) ? 1 : 0;
        end else begin
            // 发送复位码 (>280µs低电平)
            if (rst_cnt < RST) begin
                rst_cnt  <= rst_cnt + 1;
                rgb_data <= 0;
            end else begin
                rst_cnt <= 0;
                busy    <= 0;
                rgb_data <= 0;
            end
        end
    end else begin
        rgb_data <= 0;
    end
end

endmodule