§01 单片机IO控制LED

  使用单片机的IO端口控制LED点亮是最最基本的单片机的人机界面（HMI），它可以显示电子系统工作状态，参数设置等等。为了传递更多的信息，也可以控制LED不同的闪烁模式（频率，占空比，点亮长短组合）表示更多的信息，当然这会增加观察理解方面的难度。

  最基本的方式还是通过单独LED分别表示不同的模式最为简洁，但这需要设置较多的LED以及相应的MCU控制IO端口。在有些电子产品设计中，可能会遇到单片机IO端口不足的情况。此时就需要考虑IO端口复用来控制更多的LED。

  首先需要说明的是，这里是指不在增加辅助芯片的情况下完成少量IO口控制多个LED的方法。比如下面这个8×8 双色LED显示模块，其背板包括一颗  TM1640 LED驱动控制芯片[1] ，它只需要单片机两个IO端口便可以控制。这种扩展不在我们讨论范围之内。

  曾经在博文 如何使用一个单片机的IO口控制两个LED？[2]  介绍了使用一个IO端口控制两个LED独立点亮熄灭的方法。因此可以使用N个IO口，控制2N个LED独立的点亮与熄灭，它们可以总共表示2{2N}  = 4{N}种不同的状态。

  如果不考虑LED独立点亮，而是在任何时刻只点亮一个LED，则可以使用 查理复用（Charlieplexing） 方法，它可以在N个IO端口，控制个LED。

§02 查理复用原理

  在 微信公众号“电路啊” 近日的一篇推文 [3] 中，介绍了使用 查理复用 (Charlieplexing）方法。

1.电动牙刷中IO复用

  有趣的是，他是从一款手头的电动牙刷的设计中看到了 查理复用 在实际产品中是如何解决单片机IO不足的问题。在电动牙刷内部控制板上使用了一颗8PIN的单片机，外部需控制六个LED，单片机只使用了其中三个IO控制拉个LED灯，表示电动牙刷不同运行速度设置。

  下面是三个IO与六个LED之间的连接关系。三个IO口之间共有三对相互连接关系。在每一对连接IO之间，正反并联一对LED，总共六个LED。

  如果需要点亮某一个LED，首先确定它在哪一对IO之间，然后将其余IO设置成高阻状态，使其不参与控制。然后在根据该LED的极性，设置它所在两个IO的高低电平，来点亮它，与它并联的LED由于极性相反而熄灭。

  这个电路中使用的 查理复用 是在的情况下，控制个LED的点亮。

2.查理复用原理

  查理复用 最基本单元是一对IO口可以单独控制两个背对背并联LED中某一个LED点亮。如下图所示，电路连接一对单片机IO口。随着左右两边不同的电平设置，可以控制LED1、LED2分别单独点亮。

  对于N个IO口，它们之间总共有个相互连接的边。比如下面所示的三个IO口，它们之间有三个连接边。每一个边对应的两个IO口，可以连接一个上面的LED并联电路。这样总共有个LED。

  工作时，任选两个IO，将其余的IO口设置为高阻状态。比如下图中将C对应的IO口设置为高阻，剩下A,B两个IO口完成对于0,1两个LED的控制。

  由于A,B两点的电位始终被0,1LED钳位，使其在单个LED导通电压，而小于两个LED串联的导通电压，所以A,B两点之间的电位差不会引起（2,3）、（4,5）两边LED串联导通。

§03 多路查理复用

  在前面介绍的 查理复用 中，每一时刻基本只能点亮一颗LED，如果希望同时点亮多个LED，则可以通过顺次点亮这些LED，只要重复频率足够快（比如大于50Hz），则可以看起来它们是同时点亮。这样，就可以使用 查理复用 控制LED矩阵了。

  在 Charplexing-HACKADAY[4] 中展示了一颗ATiny24单片机（PIN14）控制 5 ×18（90个LED）矩阵工作。通过前面可知控制90个LED，如果使用 查理复用 则至少需要10个LED，对于14个管脚的ATiny24单片机来讲，几乎它所有IO都用于控制LED矩阵了。

  在 Adafruit Charlieplex LED Matrix Bonnet[5] 给出了一款8×16 LED阵列，利用专用的一颗I2C接口控制器，使用 查理复用 驱动LED矩阵。

  下面LED模块被称为“LED矩阵羽毛”，它外观看起来就像一片贴满鳞片的羽毛。它外部具有I2C 总线接口。它可以通过PWM控制LED亮度（256级别）

  LED矩阵羽毛核心的IC为IS31FL3731芯片，它可以通过PWM波形控制多大16×9个LED组成的矩阵，可以工作在 2.7V～5.5V 电压。

  特别，在 PythonY&CircuitPython[6] 还有它专用驱动库文件。

  那么问题回来了，这颗IS31FL3731芯片与 查理复用 有什么关系呢？其实就是查理复用的接法：

※ 总结 ※

  查理复用 在单片机IO端口复用应用比较广泛。应用在一些管脚很少的单片机在需要多路显示的情况下，可以控制更多的LED。

  最后也非常感谢卓老师引用”电路啊“的文章！

参考资料