也談LED驅(qū)動
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LED：本文所說的LED主要是指下列幾種：
7-段數(shù)碼LED，分共陰和共陽兩種，原理圖見1和2；
常用nxm LED點(diǎn)陣：如8x8 LED 點(diǎn)陣模塊、5x7 LED點(diǎn)陣模塊等，其也分為共陰和共陽兩種；
單個LED管。
所謂共陰極，即是將所有LED的陰極連接到一起，而共陽極則相反，所有的陽極被連接到了一起。但不管哪種結(jié)構(gòu)，其顯示設(shè)計的原理基本相同，唯一的是其驅(qū)動的電路的設(shè)計有所差異，一般共陰極采用推（Push）電流的方式來驅(qū)動，而共陽極結(jié)構(gòu)則采用拉（Pull）電流的方式來驅(qū)動。
根據(jù)LED顯示的硬件設(shè)計方法的不同，LED顯示驅(qū)動分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩大類，其具體的說明和編程方法分述如下：
1．靜態(tài)顯示驅(qū)動法：
所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動法，即是指每一個LED燈分別對應(yīng)一個獨(dú)立的IO驅(qū)動口；其點(diǎn)亮和關(guān)閉由該IO來對其進(jìn)行控制，互不干擾，見圖3（注：對于IO驅(qū)動能力弱的MCU，必須增加外部的驅(qū)動芯片或驅(qū)動三極管等器件）。此種設(shè)計一般應(yīng)用在對單個LED的驅(qū)動或LED數(shù)量較少，且所選的MCU IO比較充裕的情況下。比如一些項目的LED指示燈、產(chǎn)品的設(shè)計中只有一個7－段LED碼需要顯示等。
由于每一個LED均由獨(dú)立的IO口來控制，因此此種顯示驅(qū)動的軟件設(shè)計比較簡單明了，無需特別的處理，在需要點(diǎn)亮和關(guān)閉時設(shè)置相應(yīng)的IO輸出口的電平即可（即“0”或“1”，具體須根據(jù)驅(qū)動電路的設(shè)計來決定）。
圖 3
優(yōu)點(diǎn)：電路設(shè)計簡單，編程簡單，而且LED的亮度控制容易，只需在驅(qū)動端增加相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)電阻即可方便地實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)（對于存在獨(dú)立驅(qū)動的設(shè)計，還可以通過調(diào)整驅(qū)動電壓來達(dá)到亮度的調(diào)節(jié)）。
缺點(diǎn)：由于每一個LED燈需要一個IO口，因此對IO口的需求較大，不易實(shí)現(xiàn)大數(shù)量的LED驅(qū)動和顯示，擴(kuò)展性能差。
2． 動態(tài)的顯示驅(qū)動法：
與靜態(tài)顯示方法不同，動態(tài)LED顯示的設(shè)計方法是將不同LED模塊的所有的LED的驅(qū)動端一對一地連接到一起，見圖4，而將其公共極（陰極或陽極）分別由不同的IO口來驅(qū)動（主要針對7－段碼和LED點(diǎn)陣模塊）。在此，我們稱其公共極為掃描線或地址線（因此種連接方法類似于存儲器的內(nèi)部連接，每個LED點(diǎn)相當(dāng)與Memory中的一個Bit），不同的LED模塊（類似于Memory中的一個Byte）用不同的掃描線地址線來進(jìn)行選定。
由于所有的LED模塊公用了驅(qū)動端，因此LED的驅(qū)動不再像靜態(tài)法一樣為每個LED所獨(dú)享，因此其驅(qū)動的設(shè)計方法也與靜態(tài)法完全不同，需要采用分時掃描（也稱動態(tài)掃描）方法來實(shí)現(xiàn)對所有LED的顯示驅(qū)動，其原理如下（以圖4為例）：
a. 將A0設(shè)置為高電平，也即允許第一組LED顯示，同時將A2，A3，A4設(shè)置為低電平，也即關(guān)閉該陰極所對應(yīng)的LED組的顯示；
b.在P0口輸出A0組對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)（也稱為Pattern），如字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，7－段碼對應(yīng)的數(shù)字的數(shù)據(jù)等，該數(shù)據(jù)可以通過ROM表的形式來預(yù)先定義；
c. 保持一定的時間T，該時間即為所設(shè)定定時器的中斷時間；
d. 將A0口設(shè)置為低電平，關(guān)閉A0組LED的顯示；
e.將A1設(shè)置為高電平，其他幾個設(shè)置為低電平，開啟A1組對應(yīng)的LED的顯示；
f. 在P0口輸出A1組對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)（也稱為Pattern，意義同上）；
g.重復(fù)以上步驟，直到所有組被掃描一遍，然后又從A0組開始下一個循環(huán)，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)所有LED的動態(tài)顯示。
該方法的原理利用了人眼對物體的視覺延遲來達(dá)到所有LED的同時顯示，實(shí)際上，在每一個時刻，只有一組LED是處于顯示的狀態(tài)，而其他LED組均為關(guān)閉狀態(tài)。理論上，若兩次顯示之間的時間間隔小于32ms時，人眼即無法分辨，因此，為了達(dá)到此要求，LED的掃描頻率一般可按照下式計算得出：
f = 32 * N
式中，
f為掃描的頻率，對應(yīng)為定時器的定時時間（T＝1/f）；
32 則是由32ms換算而來，32ms對應(yīng)的頻率剛好為 32Hz；
N則是總的LED的組數(shù)（此例中為N=4）。
根據(jù)此式算出的掃描頻率f實(shí)際上是LED 驅(qū)動掃描的最小頻率，若低于此頻率，則有可能導(dǎo)致LED的閃爍。當(dāng)然，f也不可能越高越好，掃描的頻率太高，相對而言，每一組LED的點(diǎn)亮的時間就越短，因此有可能導(dǎo)致LED的亮度不夠或顯示效果不理想等一些問題。當(dāng)然提高LED的驅(qū)動電壓也可以彌補(bǔ)由此造成的亮度不夠的問題。
此例中，由公式可知其掃描的頻率應(yīng)大于等于128Hz，則較為理想。
2． MCU程序的實(shí)現(xiàn)：
a.模塊的劃分：
在說明其編程之前，先說明一下模塊化編程思想在LED驅(qū)動設(shè)計中的應(yīng)用。為了使程序的結(jié)構(gòu)清晰和維護(hù)的便利，特別是為了使程序的移植等變得可行，在程序的設(shè)計過程中應(yīng)盡可能地采用模塊化的設(shè)計思想，對于復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)，更應(yīng)該在編程之前理順其相互之間的關(guān)系，劃分好各功能模塊所應(yīng)完成的功能，定義好各模塊之間的數(shù)據(jù)接口和相互關(guān)系。
一般而言，顯示部分所涉及到的內(nèi)容和功能相對較廣，比如按鍵的變化、系統(tǒng)狀態(tài)的變化、數(shù)據(jù)的變化等均需在顯示的結(jié)果上表現(xiàn)出來。因此，為了保證不同的模塊之間的獨(dú)立性，我們將與LED顯示的有關(guān)的功能進(jìn)行如下的劃分：
1． 掃描驅(qū)動模塊：此模塊的功能只完成對所有LED的掃描，而不關(guān)心所顯示的數(shù)據(jù)的具體變化情況，其從固定的顯示緩沖其中提取每一掃描地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，該對應(yīng)關(guān)系是固定的，由程序設(shè)計時來設(shè)定。該實(shí)現(xiàn)的方法類似與PC機(jī)中CRT的顯示驅(qū)動和顯示緩沖；
2．字符、點(diǎn)陣發(fā)生器：由于實(shí)際的數(shù)據(jù)與顯示的數(shù)據(jù)（Pattern）之間并非是相同的，因此，需要將實(shí)際的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能夠顯示的數(shù)據(jù)。例如在MCU中的各種計算的數(shù)據(jù)是以BCD碼或二進(jìn)制碼的形式來表示的，需要將其轉(zhuǎn)化成7－段碼或nxn點(diǎn)陣的Pattern數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；
3．顯示緩沖刷新和處理模塊：該模塊的功能是接受諸如按鍵、系統(tǒng)狀態(tài)變化、數(shù)據(jù)變化所引起的顯示數(shù)據(jù)的變化。其需要調(diào)用到字符、點(diǎn)陣發(fā)生器來完成顯示緩沖的刷新，其與按鍵、系統(tǒng)狀態(tài)變化等之間的接口是采用消息的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。該模塊一般需要根據(jù)不同的顯示內(nèi)容來進(jìn)行分類，比如在跑步機(jī)的設(shè)計中，可以劃分為如下的內(nèi)容：距離、速度、時間、能量消耗、心率及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)。
b.程序架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)
1．掃描模塊的實(shí)現(xiàn)：由于LED的掃描驅(qū)動是一個重復(fù)的不間斷的過程，自然，定時中斷是最好的實(shí)現(xiàn)方法，其流程如圖6所示，其中BuffPt用于指向當(dāng)前的顯示緩沖區(qū)，Ai則為當(dāng)前所需顯示的LED組的地址編號，從0到N(N為總的LED組數(shù))；
2．刷新模塊的實(shí)現(xiàn)：在MCU的程序設(shè)計中，一般將此模塊置于16Hz的定時中斷中（若主程序的循環(huán)周期不固定且最大的循環(huán)時間大于1/10秒時，常采用此架構(gòu)）或主程序循環(huán)體中（此種情況主要時針對MCU時鐘比較高的場合或不需考慮顯示延時的情況下），通過檢測對應(yīng)的消息來決定其是否需要執(zhí)行數(shù)據(jù)的刷新。以跑步機(jī)的設(shè)計為例，其功能流程如圖7所示；
3．字符、點(diǎn)陣發(fā)生器：由于在一些實(shí)際的應(yīng)用中，可能的顯示內(nèi)容原則上是可預(yù)知的和有限的，特別是漢字的顯示，因此其主要是通過定義相應(yīng)的點(diǎn)陣來保存各種需要顯示數(shù)據(jù)。為了便于程序的設(shè)計，一般需將其按照一定的排列規(guī)則來進(jìn)行定義，同時也需要為各個需要顯示的字符和圖符進(jìn)行編碼，編碼的規(guī)則必須有利于程序的設(shè)計和提高代碼的效率，以求能夠采用統(tǒng)一的查表指令來實(shí)現(xiàn)。
圖6
注：上述的流程只是一個原理性的程序說明，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要根據(jù)MCU的特點(diǎn)及具體的硬件設(shè)計來進(jìn)行程序的設(shè)計與簡化。比如：在實(shí)際的項目中有8x8（或小于8x8）個LED需要驅(qū)動，而且所選的MCU又是8位或16位的，則此時的地址線的掃描將變得非常的簡單，只要建立字節(jié)變量Ai，其初始值為0x01，然后在每次中斷處理程序中需將Ai直接輸出到LED掃描線所對應(yīng)的IO口即可，隨后將Ai左移一位，對8x8 LED情況，當(dāng)Ai＝0時，表示一遍掃描完成，此時再將Ai設(shè)為0x01即可。對于顯示的緩沖區(qū)的分配，同樣可以根據(jù)實(shí)際的軟件設(shè)計來分配具體的RAM地址空間，以進(jìn)一步提高程序的執(zhí)行效率。記住，由于LED的掃描需要占用較多的MCU時間，因此在進(jìn)行掃描驅(qū)動的程序設(shè)計時，需要盡可能采用簡潔高效的代碼，以便提高M(jìn)CU的工作效率。舉例來說，假如需驅(qū)動8x8 LED，根據(jù)前面所講的要求，所需的定時器的中斷頻率必須是大于等于8x32，即256Hz，若在此驅(qū)動代碼中多增加一條語句，則MCU每秒就需要多執(zhí)行256條代碼，由此可見高效的代碼對于LED驅(qū)動程序來講是多么重要，特別是當(dāng)MCU的時鐘不夠快時！
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