用3個IO口控制6個LED燈，怎么做到的？
加入技術(shù)交流群
▲ 本文要分析的電路
事情是這樣開始的。
買了個電動牙刷，幾十塊錢那種：
收到的實物長這樣：
牙刷手柄上有1個按鍵和6個LED燈：
拆開看看電路板：
可以看出，電路板上用的單片機，只有8個腳，卻要控制1個按鍵、6個LED燈、1個震動的馬達(dá)電機：
初看之下，GPIO應(yīng)該是不夠用的。
單片機除去電源腳（正極）和GND腳（負(fù)極），只剩最多6個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，這款電動牙刷實現(xiàn)了用3個GPIO控制6個LED燈，節(jié)省了GPIO。
這個巧妙的電路如下：
6個LED燈為相同的型號，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
這個電路用到了單片機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，幾乎不會吸入電流，也不會對外輸出電流。
各個LED燈單獨亮起，分為六種情況。
1、當(dāng)只有LED1亮起時，單片機各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，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
3、當(dāng)只有LED3亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
4、當(dāng)只有LED4亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
5、當(dāng)只有LED5亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
6、當(dāng)只有LED6亮起時，單片機各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，因為這個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LED，特別是驅(qū)動大量LED時有效地節(jié)約GPIO的方法。
使用該方法，n個GPIO可以驅(qū)動 n*(n-1) 個LED，所以：
使用2個GPIO可以驅(qū)動2個LED。
使用3個GPIO可以驅(qū)動6個LED。
使用4個GPIO可以驅(qū)動12個LED。
以此類推。
這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)是：
單片機GPIO的三個狀態(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)計的方法：
任意兩個GPIO引腳之間串入兩個LED，這兩個LED為并聯(lián)，且LED方向相反。
當(dāng)你想要點亮某個特定的LED時，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)。
前面電動牙刷中6個LED燈的電路，就是這么設(shè)計的。
下面從最簡單的開始，一步一步體會查理復(fù)用的電路設(shè)計。
1、使用2個GPIO時最簡單：
LED1亮起時：
LED2亮起時：
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GPIO時，前面已經(jīng)分析過：
可以等效為下圖：
可以看出，確實是任意兩個GPIO之間均串入了兩個并聯(lián)的LED，且LED方向相反。
3、同樣的原理，使用4個GPIO時：
點亮LED1時：
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引發(fā)一些問題。
首先，LED亮起時完全由單片機的GPIO輸出電流，所以對于GPIO的電流驅(qū)動能力有一定的要求。設(shè)計電路時要注意查詢自己使用的MCU的電流驅(qū)動能力，下圖是STM32單片機中對GPIO電流驅(qū)動能力的說明：
其次，如果出現(xiàn)了某個LED開路或短路的情況，電流的流向會被打亂，LED亮起來的邏輯會變得錯亂。最壞的情況下，電路會對GPIO索取大電流，導(dǎo)致單片機損壞。下圖是假設(shè)LED1短路，那么在點亮LED5時，LED3也會亮起：
三、繼續(xù)進階
如果要同時亮起兩個以上的LED，怎么辦？
交替點亮他們就行，只要交替切換的速度夠快，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，看起來就是同時亮起的。
值得一提的是，如果要同時亮起的LED較多，比如大規(guī)模的LED點陣，那么還要注意一些新的問題，頗有門道。
評論