▲ 本文要分析的電路
事情是這樣開始的。
買了個(gè)電動(dòng)牙刷,幾十塊錢那種:
收到的實(shí)物長這樣:
牙刷手柄上有1個(gè)按鍵和6個(gè)LED燈:
拆開看看電路板:
可以看出,電路板上用的單片機(jī),只有8個(gè)腳,卻要控制1個(gè)按鍵、6個(gè)LED燈、1個(gè)震動(dòng)的馬達(dá)電機(jī):
初看之下,GPIO應(yīng)該是不夠用的。
單片機(jī)除去電源腳(正極)和GND腳(負(fù)極),只剩最多6個(gè)GPIO腳。
那么是怎么做到夠用的?
原來,經(jīng)過巧妙的電路設(shè)計(jì),這款電動(dòng)牙刷實(shí)現(xiàn)了用3個(gè)GPIO控制6個(gè)LED燈,節(jié)省了GPIO。
這個(gè)巧妙的電路如下:
6個(gè)LED燈為相同的型號(hào),為方便查看,用紅綠兩種顏色區(qū)分兩種不同的方向。
一、原理分析
這個(gè)電路用到了單片機(jī)GPIO的三種狀態(tài):
高電平
低電平
高阻態(tài)
所謂“高阻態(tài)”,是指GPIO對外部電路表現(xiàn)出極大的阻抗。因阻抗很大,幾乎不會(huì)吸入電流,也不會(huì)對外輸出電流。
各個(gè)LED燈單獨(dú)亮起,分為六種情況。
1、當(dāng)只有LED1亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:(帶箭頭的紅線為電流回路)
2、當(dāng)只有LED2亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:
3、當(dāng)只有LED3亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:
4、當(dāng)只有LED4亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:
5、當(dāng)只有LED5亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:
6、當(dāng)只有LED6亮起時(shí),單片機(jī)各GPIO的狀態(tài)如下:
整理如下:
就是這么簡單!
二、總結(jié)提升
以上其實(shí)是用了一種叫“查理復(fù)用”(Charlieplex)的方法。
為什么叫查理復(fù)用?
很簡單,因?yàn)檫@個(gè)方法來源于美信半導(dǎo)體公司的工程師Charlie Allen。
查理復(fù)用是一種能夠在驅(qū)動(dòng)LED,特別是驅(qū)動(dòng)大量LED時(shí)有效地節(jié)約GPIO的方法。
使用該方法,n個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng) n*(n-1) 個(gè)LED,所以:
使用2個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED。
使用3個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)LED。
使用4個(gè)GPIO可以驅(qū)動(dòng)12個(gè)LED。
以此類推。
這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)是:
單片機(jī)GPIO的三個(gè)狀態(tài):高電平、低電平、高阻態(tài)。
LED具有單向?qū)щ娦浴?/p>
查理復(fù)用設(shè)計(jì)的方法:
任意兩個(gè)GPIO引腳之間串入兩個(gè)LED,這兩個(gè)LED為并聯(lián),且LED方向相反。
當(dāng)你想要點(diǎn)亮某個(gè)特定的LED時(shí),就將其兩端所連接到的GPIO引腳分別設(shè)定為高電平和低電平,其它剩余的GPIO引腳設(shè)定為高阻態(tài)。
前面電動(dòng)牙刷中6個(gè)LED燈的電路,就是這么設(shè)計(jì)的。
下面從最簡單的開始,一步一步體會(huì)查理復(fù)用的電路設(shè)計(jì)。
1、使用2個(gè)GPIO時(shí)最簡單:
LED1亮起時(shí):
LED2亮起時(shí):
這里只用到高電平、低電平的狀態(tài),不需要用高阻態(tài)的狀態(tài)。
2、使用3個(gè)GPIO時(shí),前面已經(jīng)分析過:
可以等效為下圖:
可以看出,確實(shí)是任意兩個(gè)GPIO之間均串入了兩個(gè)并聯(lián)的LED,且LED方向相反。
3、同樣的原理,使用4個(gè)GPIO時(shí):
點(diǎn)亮LED1時(shí):
其他LED亮起的情況不再列舉。
查理復(fù)用這樣的電路接法也會(huì)引發(fā)一些問題。
首先,LED亮起時(shí)完全由單片機(jī)的GPIO輸出電流,所以對于GPIO的電流驅(qū)動(dòng)能力有一定的要求。設(shè)計(jì)電路時(shí)要注意查詢自己使用的MCU的電流驅(qū)動(dòng)能力,下圖是STM32單片機(jī)中對GPIO電流驅(qū)動(dòng)能力的說明:
其次,如果出現(xiàn)了某個(gè)LED開路或短路的情況,電流的流向會(huì)被打亂,LED亮起來的邏輯會(huì)變得錯(cuò)亂。最壞的情況下,電路會(huì)對GPIO索取大電流,導(dǎo)致單片機(jī)損壞。下圖是假設(shè)LED1短路,那么在點(diǎn)亮LED5時(shí),LED3也會(huì)亮起:
三、繼續(xù)進(jìn)階
如果要同時(shí)亮起兩個(gè)以上的LED,怎么辦?
交替點(diǎn)亮他們就行,只要交替切換的速度夠快,由于人眼的視覺暫留效應(yīng),看起來就是同時(shí)亮起的。
值得一提的是,如果要同時(shí)亮起的LED較多,比如大規(guī)模的LED點(diǎn)陣,那么還要注意一些新的問題,頗有門道。
本文不再展開,感興趣的讀者可以自行查詢修煉,繼續(xù)進(jìn)階。
審核編輯:湯梓紅
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