IO口多路查理复用：三个单片机IO口控制六个LED

Posted 2021-05-19 卓晴

简 介： 本文介绍了单片机的IO控制 LED 中的复用技术，特别查理复用基本原理和特点进行了介绍。使用一款IS31FL3731可以构成16×9的PWM亮度可控的 LED 矩阵。

关键词： 查理复用，Charlieplexing，IO，MCU，IS31FL3731，IO口复用

 

§01 单片机IO控制 LED

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  使用单片机的IO端口控制 LED 点亮是最最基本的单片机的人机界面（HMI），它可以显示电子系统工作状态，参数设置等等。为了传递更多的信息，也可以控制 LED 不同的闪烁模式（频率，占空比，点亮长短组合）表示更多的信息，当然这会增加观察理解方面的难度。

  最基本的方式还是通过单独 LED 分别表示不同的模式最为简洁，但这需要设置较多的 LED 以及相应的MCU控制IO端口。在有些电子产品设计中，可能会遇到单片机IO端口不足的情况。此时就需要考虑IO端口复用来控制更多的 LED 。

  首先需要说明的是，这里是指不外在增加辅助芯片的情况下完成少量IO控制多与IO口数量的 LED 方法。比如下面这个8×8 双色 LED 显示模块，其背板包括一颗 TM1640 LED 驱动控制芯片 ，它只需要单片机两条IO端口便可以控制。这种扩展不在我们讨论范围之内。

  曾经在博文 如何使用一个单片机的IO口控制两个 LED ？ 介绍了使用一个IO端口控制两个 LED 独立点亮熄灭的方法。因此可以使用N个IO口，控制2N个 LED 独立的点亮与熄灭，它们可以总共表示$2^{2N}=4^N$的不同状态。

  如果不考虑 LED 独立点亮，而是在任何时刻只点亮一个 LED ，则可以使用 查理复用（Charlieplexing） 方法，它可以在N个IO端口，控制 $N\left(N-1\right)$ 个 LED 。

 

§02 查理复用原理

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  在 微信公众号“电路啊” 近日的一篇推文 用3个IO口控制6个 LED 灯，怎么做到的？查理复用！ 中，介绍了使用 查理复用 (Charlieplexing）方法。

1.电动牙刷中查理复用

  有趣的是，他是从一款手头的电动牙刷的设计中看到了 查理复用 在实际产品中是如何解决单片机IO不足的问题。在电动牙刷内部控制板上使用了一颗8PIN的单片机，外部需控制六个 LED ，单片机只使用了其中三个IO控制 6 个 LED 灯，表示电动牙刷不同运行速度设置。

^{▲ 电动牙刷内部8PIN单片机控制六个 **LED**}

  下面是三个IO与六个 LED 之间的连接关系。三个IO口之间共有三对相互连接关系。在每一对连接IO之间，正反并联一对 LED ，总共六个 LED 。

^{▲ 三个IO端口控制六个 **LED** 单独点亮}

  如果需要点亮某一个 LED ，首先确定它在哪一对IO之间，然后将其余IO设置成高阻状态，使其不参与控制。然后在根据该 LED 的极性，设置它所在两个IO的高低电平，来点亮它，与它并联的 LED 由于极性相反而熄灭。

^{▲ 任意挑选两个IO，设置他们不同高低电平可以分别控制它们之间连接的两个 **LED** 点亮}

  这个电路中使用的 查理复用 是在$N=3$的情况下，控制$3\times 2=6$个 LED 的点亮。

2.查理复用原理

  查理复用 最基本单元是一对IO口可以单独控制两个背对背并联 LED 中某一个 LED 点亮。如下图所示，电路连接一对单片机IO口。随着左右两边不同的电平设置，可以控制 LED 1、 LED 2分别单独点亮。

^{▲ 极性相反并联的 **LED**}

  对于N个IO口，它们之间总共有$N\left(N-1\right)/2$个相互连接的边。比如下面所示的三个IO口，它们之间有三个连接边。每一个边对应的两个IO口，可以连接一个上面的 LED 并联电路。这样总共有$N\left(N-1\right)$个 LED 。

  工作时，任选两个IO，将其余的IO口设置为高阻状态。比如下图中将C对应的IO口设置为高阻，剩下A,B两个IO口完成对于0,1两个 LED 的控制。

^{▲ 三个IO口，可以形成三个相互连接的边}

  由于A,B两点的电位始终被0,1 LED 钳位，使其在单个 LED 导通电压，而小于两个 LED 串联的导通电压，所以A,B两点之间的电位差不会引起（2,3）、（4,5）两边 LED 串联导通。

^{▲ 三个IO口（分别用黄、绿、蓝表示）不同状态点亮不同 **LED** （0 至 7）}

 

§03 多路查理复用

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  在前面介绍的 查理复用 中，每一时刻基本只能点亮一颗 LED ，如果希望同时点亮多个 LED ，则可以通过顺次点亮这些 LED ，只要重复频率足够快（比如大于50Hz），则可以看起来它们是同时点亮。这样，就可以使用 查理复用 控制 LED 矩阵了。

  在 Charplexing-HACKADAY 中展示了一颗ATiny24单片机（PIN14）控制 5 ×18（90个 LED ）矩阵工作。通过前面可知控制90个 LED ，如果使用 查理复用 则至少需要10个 LED ，对于14个管脚的ATiny24单片机来讲，几乎它所有IO都用于控制 LED 矩阵了。

^{▲ 单片机驱动 **LED** 矩阵}

  在 Adafruit Charlieplex LED Matrix Bonnet 给出了一款8×16 LED 阵列，利用专用一颗I2C接口控制器，使用 查理复用 驱动 LED 矩阵。

^{▲ Adafruit 15x7 CharliePlex **LED** Matrix Display FeatherWings}

  下面 LED 模块被称为“LED 矩阵羽毛”，它外观看起来就像一片贴满鳞片的羽毛。它外部具有I2C 总线接口。它可以通过PWM控制 LED 亮度（256级别）

^{▲ CharpliePlex **LED** 矩阵显示不同图案}

   LED 矩阵羽毛核心的IC为IS31FL3731芯片，它可以通过PWM波形控制多大16×9个 LED 组成的矩阵，可以工作在 2.7V～5.5V 电压。

  特别，在 PythonY&CircuitPython 还有它专用驱动库文件。

^{▲ IS31FL3731控制板可以控制16×9 **LED** 矩阵560}

  那么问题回来了，这颗IS31FL3731芯片与 查理复用 有什么关系呢？

^{▲ IS31FL3731芯片外部连接的LED阵列就是使用的查理复用的方法}

 

※ 总结 ※

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  查理复用 在单片机IO端口复用应用比较广泛。在解决一些管脚很少单片机在多路显示的情况下，控制更多的 LED 显示。

 

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  ■ 相关文献链接:

• TM1640 LED 驱动控制芯片
• 如何使用一个单片机的IO口控制两个 LED ？
• 用3个IO口控制6个 LED 灯，怎么做到的？查理复用！
• Charplexing-HACKADAY
• Adafruit Charlieplex LED Matrix Bonnet
• PythonY&CircuitPython
• 本博文被推文引用的公众号-TSINGHUAZHUOQING
• 本博文被推文引用的公众号-电路啊
• 本博文被推文引用的公众号-电子森林

^{▲ 实验中突然电路着火了}