用3个IO口控制6个LED灯,怎么做到的?查理复用!

电路啊 2021-05-06 00:00

▲ 本文要分析的电路

事情是这样开始的。
买了个电动牙刷,几十块钱那种:

收到的实物长这样:

牙刷手柄上有1个按键和6个LED灯:

拆开看看电路板:

可以看出,电路板上用的单片机,只有8个脚,却要控制1个按键、6个LED灯、1个震动的马达电机:

初看之下,GPIO应该是不够用的。
单片机除去电源脚(正极)和GND脚(负极),只剩最多6个GPIO脚。
那么是怎么做到够用的?
原来,经过巧妙的电路设计,这款电动牙刷实现了用3个GPIO控制6个LED灯,节省了GPIO。

这个巧妙的电路如下:

6个LED灯为相同的型号,为方便查看,用红绿两种颜色区分两种不同的方向。

一、原理分析
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,分为六种情况。
1、当只有LED1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LED2亮起时,单片机各GPIO的状态如下:

3、当只有LED3亮起时,单片机各GPIO的状态如下:

4、当只有LED4亮起时,单片机各GPIO的状态如下:

5、当只有LED5亮起时,单片机各GPIO的状态如下:

6、当只有LED6亮起时,单片机各GPIO的状态如下:

整理如下:

就是这么简单!

二、总结提升
以上其实是用了一种叫“查理复用”(Charlieplex)的方法。
为什么叫查理复用?

很简单,因为这个方法来源于美信半导体公司的工程师Charlie Allen。

查理复用是一种能够在驱动LED,特别是驱动大量LED时有效地节约GPIO的方法。
使用该方法,n个GPIO可以驱动 n*(n-1) 个LED,所以:
  • 使用2个GPIO可以驱动2个LED。

  • 使用3个GPIO可以驱动6个LED。

  • 使用4个GPIO可以驱动12个LED。

  • 以此类推。

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。

  • 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。

  • 前面电动牙刷中6个LED灯的电路,就是这么设计的。

下面从最简单的开始,一步一步体会查理复用的电路设计。
1、使用2个GPIO时最简单:

LED1亮起时:

LED2亮起时:

这里只用到高电平、低电平的状态,不需要用高阻态的状态。
2、使用3个GPIO时,前面已经分析过:

可以等效为下图:

可以看出,确实是任意两个GPIO之间均串入了两个并联的LED,且LED方向相反。
3、同样的原理,使用4个GPIO时:

点亮LED1时:

其他LED亮起的情况不再列举。
查理复用这样的电路接法也会引发一些问题。
首先,LED亮起时完全由单片机的GPIO输出电流,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STM32单片机中对GPIO电流驱动能力的说明:

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LED1短路,那么在点亮LED5时,LED3也会亮起:


三、继续进阶

如果要同时亮起两个以上的LED,怎么办?

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。

值得一提的是,如果要同时亮起的LED较多,比如大规模的LED点阵,那么还要注意一些新的问题,颇有门道。

本文不再展开,感兴趣的读者可以自行查询修炼,继续进阶。


四、最后

要感谢这款电动牙刷,让我有机会写“查理复用”。
只是最近更新又变慢了,毕竟写公众号不挣钱,还是努力上班,争取买个贵的电动牙刷呀!

电路啊 深入浅出讲解各种电子电路
评论 (4)
老黄姓黄 2021-05-24 21:35
只要是扫描,不用三态,就高低控制,这个电路就能够组合各种状态
东郭先生 2021-05-19 11:06
tengshiyi: 3个GPIO控制6个LED的电路有问题,LED1和LED3、LED2和LED4不应该是头尾串联,应该是头接头、尾接尾的连接形式最安全可靠。
一样的,怎么连接,都会有一种情况是同向串联。你把三个脚画成Y型再看一下
tengshiyi 2021-05-19 10:01
好像也不行,都有两个LED串联同时点亮的风险。
tengshiyi 2021-05-19 09:55
3个GPIO控制6个LED的电路有问题,LED1和LED3、LED2和LED4不应该是头尾串联,应该是头接头、尾接尾的连接形式最安全可靠。
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