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拆解电动牙刷，用3个IO口控制6个LED灯，怎么做到的？查理复用！

芯片之家 2023-09-25 09:35
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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。

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！
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