LED 像素显示示例

例程难度：

例程简介

例程演示了通过 ESP32-C3 获取音频数据，再经过 FFT 或响度计算后输出到 LED 像素矩阵/灯环进行显示的过程。例程中实现了部分样式，可在 main.c 用 cnv_set_cur_pattern 进行配置。LED 驱动支持了 WS2812，可使用 SPI、RMT 输出。

注意：《ESP32-C3 物联网工程开发实战》中 ESP32-C3 的默认固件为当声音有效值超过 default_rms_min 时，LED 随着音乐律动，否则为流水灯效果。 default_rms_min 可通过 menuconfig -> Example Configuration -> Min audio rms threshold 配置。

例程流程

通过 SRC_DRV 获取源数据。
CONVERT 组件会使用在初始化时注册的 source_data_cb 获取源数据。
CONVERT 组件会调用在初始化时注册的 PATTERN 回调函数进行 LED 像素的映射。
CONVERT 会将映射之后的 LED 数据发到 PIXEL_RENDERER 组件。
PIXEL_RENDERER 组件根据接收到的数据将 LED 像素点设置为对应的颜色。

资源列表

使能 1000 颗灯珠的帧率为 30 fps。

未初始化 FFT 的内存消耗：

memory_total (byte)
18992

初始化 FFT 的内存消耗：

memory_total (byte)
35236

预备知识

外设：SPI / RMT、ADC。
算法：FFT。

LED 像素坐标的建立

LED 像素坐标的建立需要在 PIXEL_RENDERER 组件中完成。此组件有两种数据格式可发送（COORD_RGB：包含坐标与 RGB 数据；ONLY_RGB：只包含 RGB 数据）。

建立坐标系的三要素

x_axis_points，X 轴上 LED 的数量。
y_axis_points，Y 轴上 LED 的数量。
origin_offset，原点偏移。

LED 矩阵排列方式

LED 矩阵有多种排列方式，下方列举三种 6 X 7 的 LED 矩阵排列方式，即 y_axis_points 为 6，x_axis_points 为 7。（例程默认以排列一方式建立坐标系）

排列一的坐标原点为第 6 颗灯珠，led_index 为 5，origin_offset 为 5；坐标 (1,0) 为第 7 颗灯珠。
排列二的坐标原点为第 1 颗灯珠，led_index 为 0，origin_offset 为 0；坐标 (1,0) 为第 12 颗灯珠，需重定义像素坐标映射。
排列三的坐标原点为第 1 颗灯珠，led_index 为 0，origin_offset 为 0；坐标 (1,0) 为第 7 颗灯珠，需重定义像素坐标映射。

符号 ｀*｀ 代表 LED 灯珠
符号 `|` 与 `-` 代表电路
下方排列认为左下角灯珠为坐标原点。

排列一：6 X 7
  ->-*   *---*   *---*   *---*
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *---*   *---*   *---*   *->-

排列二：6 X 7
     *---*   *---*   *---*   *->-
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
     *   *   *   *   *   *   *
     |   |   |   |   |   |   |
  ->-*   *---*   *---*   *---*

排列三：6 X 7
     *---  *---  *---  *---  *---  *---  *->-
     |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
     *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *
     |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
     *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *
     |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
     *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *
     |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
     *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *
     |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
  ->-*  ---*  ---*  ---*  ---*  ---*  ---*

文件结构

├── components
│   |── source_drv
│   |   ├── include
│   |   │   └── src_drv_adc.h              <!-- ADC 头文件，负责获取 ADC 源数据 -->
│   |   ├── src_drv_adc.c
│   |   ├── CMakeLists.txt
│   |   └── component.mk
│   |── convert
│   |   ├── cnv_audio
│   |   │   ├── cnv_audio.c
│   |   │   └── cnv_audio.h                <!-- 音频相关，例如：声强/音量计算 -->
│   |   ├── cnv_basic
│   |   │   ├── cnv_debug.h
│   |   │   └── cnv_fft.h                  <!-- FFT 相关，例如：频率计算 -->
│   |   ├── include
│   |   │   ├── cnv_pattern.h              <!-- 灯光样式相关，可自定义源数据 － LED 像素点的映射关系 -->
│   |   │   └── cnv.h                      <!-- CNV 头文件，负责绘制 LED 像素帧 -->
│   |   ├── lib
│   |   │   └── esp32c3
|   │   |       └── libconvert.a
│   |   ├── cnv_pattern.c
│   |   ├── cnv.c
│   |   ├── CMakeLists.txt
│   |   └── component.mk
│   ├── pixel_renderer
│   │   ├── led_driver
│   │   │   ├── ws2812_rmt
|   │   |   |   ├── ws2812_rmt.c
|   │   |   |   └── ws2812_rmt.h           <!-- WS2812 灯珠的 RMT 驱动 -->
│   │   │   └── ws2812_spi
|   │   |       ├── ws2812_spi.c
|   │   |       └── ws2812_spi.h           <!-- WS2812 灯珠的 SPI 驱动 -->
│   │   ├── include
│   │   │   |── pixel_coord.h              <!-- PIXEL 坐标转换为 index -->
│   │   │   |── pixel_dev.h
│   │   │   └── pixel.h                    <!-- PIXEL 头文件，负责控制 LED -->
│   │   ├── pixel_coord.c
│   │   ├── pixel_dev.c
│   │   ├── pixel.c
│   │   ├── CMakeLists.txt
│   │   └── component.mk
│   ├── utilis
│   │   ├── CMakeLists.txt
│   │   ├── esp_color.c
│   │   └── esp_color.h                    <!-- 色彩相关，例如：RGB -> HSV / HSV -> RGB -->
│   └── my_board
│       ├── CMakeLists.txt
│       ├── component.mk
│       ├── Kconfig.projbuild
│       └── esp32_c3_devkitm_1
│           ├── board_pins_config.c
│           └── board.h
├── CMakeLists.txt
├── main
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── component.mk
│   ├── Kconfig.projbuild
│   ├── idf_component.yml
│   └── main.c
├── CMakeLists.txt
└── README_CN.md

环境配置

硬件要求

本例程支持的开发板在 $ADF_PATH/examples/README_CN.md 文档中例程与乐鑫音频开发板的兼容性表格中有标注，表格中标有绿色复选框的开发板均可运行本例程。请记住，如下面的配置一节所述，可以在 menuconfig 中选择开发板。

LED 接线方式

若您选择 ESP32-C3-Lyra + WS2812 进行开发：点击 ESP32-C3-Lyra 用户指南了解更多。

ESP32-C3-Lyra	WS2812 LED
VCC	5V / 12V
DIN	DI
GND	GND

若您选择 ESP32-C3-DevKitM-1 + WS2812 + MEMS 麦克风进行开发：点击 ESP32-C3-DevKitM-1 用户指南了解更多。

ESP32-C3-DevKitM-1	WS2812 LED
5V	5V
IO10	DI
GND	GND

ESP32-C3-DevKitM-1	MEMS 麦克风
3.3V	VDD
IO2	SD
GND	GND
IO6	SCK
IO7	WS
GND	L/R

编译和下载

IDF 默认分支

本例程支持 IDF release/v4.4 分支，例程默认使用 IDF release/v4.4 分支。

配置

本例程默认选择的开发板是 ESP32-C3-Lyra-v2.0。

menuconfig > Audio HAL > ESP32-C3-Lyra-v2.0

注意：若选择 ESP32-C3-DevKitM-1 开发板，则需要使用 sdkconfig.defaults.esp32c3.devkit 替换 sdkconfig.defaults.esp32c3。命令如下：

cp sdkconfig.defaults.esp32c3.devkit sdkconfig.defaults.esp32c3

编译和下载

切换至例程路径

cd $ADF_PATH/examples/display/led_pixels

设置芯片版本

idf.py set-target esp32c3

编译版本并烧录到开发板上，然后运行 monitor 工具来查看串口输出 (替换 PORT 为端口名称)：

idf.py -p PORT flash monitor

或直接烧录 ESP32-C3-DevKitM-1 的固件，注意替换 PORT 为端口名称。(点击 esptool.py 了解更多)

$IDF_PATH/components/esptool_py/esptool/esptool.py -p PORT -b 460800 --before default_reset --after hard_reset --chip esp32c3  write_flash --flash_mode dio --flash_size detect --flash_freq 40m 0x0 bin/esp32c3_devkit/led_pixels.bin

退出调试界面使用 Ctrl-]。

有关配置和使用 ESP-IDF 生成项目的完整步骤，请前往《ESP-IDF 编程指南》，并在页面左上角选择芯片和版本，查看对应的文档。

如何使用例程

例程默认使用 cnv_pattern_energy_chase_mode 模式，可调用 esp_err_t cnv_set_cur_pattern(cnv_handle_t *handle, const char *pattern_tag) 选择其他模式。

参数配置

以下默认参数可以使用 menuconfig 重新配置。

menuconfig -> Example Configuration -> Audio -> Volume calculate types 中的两种音量计算方式分别如下：

Volume staic calculate：配置此参数则固定了响度级的量程范围，即在响度级量程范围内，响度级越大, 计算出的音量越大，点亮的 LED 越多。反之，响度级越小，计算出的音量越小，点亮的 LED 越少。这里以 default_rms_max 计算出的响度级作为固定量程的上限，并以 default_rms_min 计算出的响度级作为固定量程的下限。
Volume dynamic calculation：配置此参数使得远距离音源与近距离音源有相似的 LED 响应效果。LED 反映出的响度级窗口量程是可移动的（量程的响度级上限与下限会变化），但量程宽度不会超过 window_max_width_db。

cnv.h 中可更改配置

#define   CNV_AUDIO_SAMPLE          (CONFIG_EXAMPLE_AUDIO_SAMPLE)            /*!< 音频采样率，默认为 16000 */
#define   CNV_N_SAMPLES             (CONFIG_EXAMPLE_N_SAMPLE)                /*!< FFT 采样点数，默认为 256 */
#define   CNV_AUDIO_MIN_RMS         (CONFIG_EXAMPLE_DEFAULT_AUDIO_MIN_RMS)   /*!< 最小声音有效值阈值，低于此值被认定为静音环境*/
#define   CNV_TOTAL_LEDS            (CONFIG_EXAMPLE_TOTAL_LEDS)              /*!< LED 总数，默认 16 */

pixel_renderer.h 中可更改配置

#define   PIXEL_RENDERER_TX_CHANNEL (CONFIG_EXAMPLE_LED_TX_CHANNEL)          /*!< 通道，ESP32C3 默认使用 CHANNEL_0 */
#define   PIXEL_RENDERER_CTRL_IO    (CONFIG_EXAMPLE_LED_CTRL_IO)             /*!< 信号控制引脚，ESP32C3 默认使用 GPIO_NUM_7 */

日志输出

以下是本例程的完整日志。

--- idf_monitor on /dev/ttyUSB0 115200 ---
--- Quit: Ctrl+] | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
�ESP-ROM:esp32c3-api1-20210207
Build:Feb  7 2021
rst:0x1 (POWERON),boot:0xd (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
SPIWP:0xee
mode:DIO, clock div:1
load:0x3fcd6100,len:0x16cc
load:0x403ce000,len:0x930
load:0x403d0000,len:0x2d28
entry 0x403ce000
I (30) boot: ESP-IDF v4.4.1-149-g009e66e6252-dirty 2nd stage bootloader
I (30) boot: compile time 17:40:50
I (30) boot: chip revision: 3
I (34) boot.esp32c3: SPI Speed      : 80MHz
I (39) boot.esp32c3: SPI Mode       : DIO
I (43) boot.esp32c3: SPI Flash Size : 2MB
I (48) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (53) boot: Partition Table:
I (57) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
I (64) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 00009000 00006000
I (72) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 0000f000 00001000
I (79) boot:  2 factory          factory app      00 00 00010000 00100000
I (87) boot: End of partition table
I (91) esp_image: segment 0: paddr=00010020 vaddr=3c020020 size=0e460h ( 58464) map
I (109) esp_image: segment 1: paddr=0001e488 vaddr=3fc8bc00 size=01530h (  5424) load
I (110) esp_image: segment 2: paddr=0001f9c0 vaddr=40380000 size=00658h (  1624) load
I (117) esp_image: segment 3: paddr=00020020 vaddr=42000020 size=1c694h (116372) map
I (143) esp_image: segment 4: paddr=0003c6bc vaddr=40380658 size=0b3a8h ( 45992) load
I (152) esp_image: segment 5: paddr=00047a6c vaddr=50000010 size=00010h (    16) load
I (155) boot: Loaded app from partition at offset 0x10000
I (156) boot: Disabling RNG early entropy source...
I (172) cpu_start: Pro cpu up.
I (180) cpu_start: Pro cpu start user code
I (180) cpu_start: cpu freq: 160000000
I (180) cpu_start: Application information:
I (183) cpu_start: Project name:     led_pixels
I (188) cpu_start: App version:      v2.4-53-g031d238c-dirty
I (194) cpu_start: Compile time:     Jun 29 2022 17:40:46
I (200) cpu_start: ELF file SHA256:  9f1695a0b854d493...
I (206) cpu_start: ESP-IDF:          v4.4.1-149-g009e66e6252-dirty
I (213) heap_init: Initializing. RAM available for dynamic allocation:
I (220) heap_init: At 3FC8E440 len 00031BC0 (198 KiB): DRAM
I (227) heap_init: At 3FCC0000 len 0001F060 (124 KiB): STACK/DRAM
I (233) heap_init: At 50000020 len 00001FE0 (7 KiB): RTCRAM
I (240) spi_flash: detected chip: generic
I (245) spi_flash: flash io: dio
W (248) spi_flash: Detected size(4096k) larger than the size in the binary image header(2048k). Using the size in the binary image header.
I (262) sleep: Configure to isolate all GPIO pins in sleep state
I (268) sleep: Enable automatic switching of GPIO sleep configuration
I (276) cpu_start: Starting scheduler.
I (280) WS2812: MEM Total:321096 Bytes

故障排除

源数据输入检测：DEBUG 原始数据（例如：ADC 能否录取正常的 1KHz / 2KHz 等音频），可在 menuconfig 中开启 SOURCE_DATA_DEBUG 打印 source_data[]。
FFT检测：可在 menuconfig 中开启 FFT_DEBUG 获取 FFT 操作之后的数据。（注意：频率计算公式：采样率 * X 轴坐标 / 采样点数 = 频率）
LED驱动检测：确认 SPI / RMT 引脚配置正确并能生成正确的 WS2812 命令。

技术支持

请按照下面的链接获取技术支持：

技术支持参见 esp32.com 论坛
故障和新功能需求，请创建 GitHub issue

我们会尽快回复。

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