如何巧妙利用4个IO口驱动12个LED灯

Posted 2021-12-20 三明治开发社区

在电路设计过程中有时经常遇到单片机的IO口不够用的情况。对于这样的问题，我们可以选择换单片机，也可以尝试一些巧妙的设计来避免IO口不够用的问题。例如当我们在设计中遇到许多LED灯需要控制的时候，而单片机的IO口又不够用，我们又不希望增加成本，此时我们可以采用“查理复用”（Charlieplexing）的方式去解决这个问题。

“查理复用”（Charlieplexing）作为一种LED显示器多路复用的方法，能够使人们利用少量的IO口控制很多的LED灯，在LED领域应用广泛。

当使用 Charlieplexing 方法，n引脚可以有nx(n-1)个组合。也就是说，它可以用n个引脚驱动nx(n-1)个LED二极管。而传统的行列复用则需要更多的引脚来驱动相同的LED二极管，也就是说要驱动6个LED，用行列式需要5个口，而这种方法只要3个IO口。LED越多，节省的IO越多。比方说驱动20个LED，行列式要用9个，而这种只要5个。

下面我们来看看设计的原理吧！！！！！

一、原理图分析

这个电路用到了单片机GPIO的三种状态：

• 高电平

• 低电平

• 高阻态

所谓“高阻态”，是指GPIO对外部电路表现出极大的阻抗。因阻抗很大，几乎不会吸入电流，也不会对外输出电流。

各个LED灯单独亮起，分为12种情况。（原理图中的二极管为LED灯）

1、当只有D1亮起时，单片机各GPIO的状态如下：（带箭头的红线为电流回路）

2、当只有D2亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

3、当只有D3亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

4、当只有D4亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

5、当只有D5亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

6、当只有D6亮起时，单片机各GPIO的状态如下：

7、当只有D7，D8，D9，D10，D11，D12任意一个亮起时，单片机各GPIO的状态如上分析，这里不在叙述了。

二、设计要求

这种方式能够实现的基础是：

• 单片机GPIO的三个状态：高电平、低电平、高阻态。

• GPIO能承受的电流要大于LED灯流过的电流。

• LED具有单向导电性。

查理复用设计的方法：

• 任意两个GPIO引脚之间串入两个LED，这两个LED为并联，且LED方向相反。

• 当你想要点亮某个特定的LED时，就将其两端所连接到的GPIO引脚分别设定为高电平和低电平，其它剩余的GPIO引脚设定为高阻态。

程序的编写和控制简介：

对于使用了 查理复用算法的LED控制电路，程序开发步骤如下：

• 初始化所有端口为高阻态。

• 初始化指定LED 灯对应的两个管脚为推挽输出。

• 设置两个管脚的高低电平。

三、设计中的问题

”查理复用“这样的电路接法也会引发一些问题如下：

首先，LED亮起时完全由单片机的GPIO输出电流驱动，所以对于GPIO的电流驱动能力有一定的要求。设计电路时要注意查询自己使用的MCU的电流驱动能力，下图是GD32和STM32单片机中对GPIO电流驱动能力的说明：

GD32E230C8T6单片机GPIO最大输出电流如下：

STM32F105,STM32F107单片机GPIO输出电流如下：

其次，如果出现了某个LED开路或短路的情况，电流的流向会被打乱，LED亮起来的逻辑会变得错乱。最坏的情况下，电路会对GPIO索取大电流，导致单片机损坏。下图是假设D1和D3短路，那么在点亮D11时，D5也会亮起：

四、进阶设计

问题：如果要同时亮起两个以上的LED，怎么办？

方法：交替点亮他们就行，只要交替切换的速度够快，由于人眼的视觉暂留效应，看起来就是同时亮起的。

注意：如果要同时亮起较多LED灯，比如大规模的LED点阵，还要注意一些新的问题，这里不在展开叙述了。

要求：在任意时刻只要有一个端口高电平，一个端口低电平，其余两个端口高阻态，那么就只有一个LED发光。依次循环扫描就成流水灯，速度快了就达到视觉全亮。想控制任意几个LED亮灭就与控制多位数码管动态显示一样。唯一的前提条件是MCU的端口可以设置为推挽和高阻模式。

拓展：有了上述方法之后，我们可以利用1个GPIO控制2个LED显示4种状态。

要实现4种状态：

• 红灯亮，绿灯灭

• 红灯灭，绿灯亮

• 都灭

• 都亮

分析同上，这里不在叙述了。（也是需要单片机IO口模式能设置为推挽模式和高阻态）

注意；两个LED灯总的导通压降要求大于3.3V。若总压降小于3.3V可能会出现当Port设为浮空高阻态时，出现两个LED灯同时点亮的风险。（当Port设为浮空高阻态时，需要同时灭）