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▲ 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。
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!
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:
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。
如果要同时亮起的LED较多,比如大规模的LED点阵,那么还会产生一些新问题。
本文不再展开,感兴趣的读者可以自行查询修炼,继续进阶。
要感谢这款电动牙刷,让我有机会写“查理复用”。
只是最近文章更新缓慢,因为写公众号不挣钱,精力都用在上班搬砖,好争取早日买个贵点的电动牙刷!
2021年5月7日 上午8:33 沙发
第五种和六种情况,不会出现前面LED和后面LE D吃电流吗?
2021年5月18日 下午1:00 1层
@李立 抱歉,问题没看明白。所有的六种情况都是一样的,为什么只提第五种和第六种?
2021年5月14日 下午2:23 板凳
点亮led6的时候,为什么不会把2.4也给点亮呢?
2021年5月18日 下午12:58 1层
@zk115 假设LED6点亮时两端电压为1.8V,那么LED2、LED4串联后总电压也为1.8V。但是它们哥俩加起来要 1.8V*2=3.6V 才能被点亮,实际只有1.8V,所以不亮。