驅(qū)動電子骰子至少需要幾個(gè)I/O口？

　　最近一時(shí)沖動，買了一個(gè)成本非常低的電子骰子套件。組裝的過程還是挺有古典趣味的。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)風(fēng)格還停留在70年代：一個(gè)CD4017，一個(gè)NE555，一對晶體管。當(dāng)然，我開始思考，怎樣用最高效的方式來實(shí)現(xiàn)呢？當(dāng)然這意味著需要用到微控制器；而且還要達(dá)到我們資源利用盡可能低的目標(biāo)。那么用一個(gè)帶有3個(gè)I/O口的ATtiny10能夠?qū)崿F(xiàn)嗎？

　　骰子的圖案包含7個(gè)LED，但是，你可能很快就發(fā)現(xiàn)其中六個(gè)LED都是成對亮滅的，所以我們就具有3對LED外加一個(gè)額外的LED需要控制。這需要四個(gè)I/O口——但還是太多了！

　　要減少需要的I/O口，一個(gè)很顯然的使用方法是“查理復(fù)用技術(shù)（Charliplexing）”，你能在網(wǎng)上找到很多關(guān)于查理復(fù)用技術(shù)電子骰子的電路圖。簡單來說，查理復(fù)用技術(shù)允許使用n個(gè)I/O口控制n²-n個(gè)LED。所以當(dāng)我們采用查理復(fù)用技術(shù)時(shí)，我們就需要三個(gè)I/O口就夠了。但對于我們使用的ATtiny10來說還是太多了，因?yàn)槲覀冞€需要一個(gè)額外的I/O口來“搖骰子”。

　　查理復(fù)用技術(shù)使用了微控制器I/O引腳的三態(tài)特性。同時(shí)激活的只有兩個(gè)I/O口——其中一個(gè)為高電平，另一個(gè)為低電平——而其他引腳就是高阻抗?fàn)顟B(tài)。只有以正確的極性和激活的引腳直接相連的LED才能發(fā)光。而不與引腳直接相連的路徑上的LED——比如連接到激活引腳的的是兩個(gè)串聯(lián)的LED——那么這些LED就不會發(fā)光，這是因?yàn)槎O管的非線性電流-電壓特性導(dǎo)致的。

　　現(xiàn)在，你可能會疑惑當(dāng)只有一個(gè)I/O口（而不是兩個(gè)）激活時(shí)會發(fā)生什么了？在查理復(fù)用技術(shù)的方案中什么也不會發(fā)生，但我們可以利用這一點(diǎn)。

　　以上的電路展示了怎樣以不同的方案連接LED。除了兩個(gè)I/O引腳之間的反平行對之外，作為查理復(fù)用技術(shù)的使用習(xí)慣，LED還需要連接到VCC（5V）和GND。串聯(lián)的四個(gè)LED（LED1-4與LED5-8）的正向電壓之和超過5V，所以當(dāng)PB0和PB2處于高阻抗（Z）狀態(tài)時(shí)，這些燈都不會發(fā)光。

　　當(dāng)PB0和PB2中有一個(gè)引腳處于高電平或低電平狀態(tài)，而另一個(gè)引腳為高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，那就會有一對LED會發(fā)光。而當(dāng)PB0為高電平而PB2為低電平或恰好相反時(shí)，LED9或LED10就將和一對LED并聯(lián)。這時(shí)大部分的電流會流過單個(gè)LED，所以這時(shí)只有LED9或LED10會發(fā)光。

　　上表是可能的編碼。看到了嗎？兩個(gè)引腳可以控制六個(gè)部分的LED！這正是我們所需要的，任務(wù)完成了。

　　但需要說明一點(diǎn)：單個(gè)LED的亮度并不同于串聯(lián)的兩個(gè)LED。這可能需要在查理復(fù)用技術(shù)中進(jìn)行校正。但是事實(shí)上由于人眼對光亮度的差異并沒有特別敏感，兩者的差異只能說是勉強(qiáng)可見。

　　簡單測試一下（LED并未像骰子一樣排列）?？雌饋砦覀冃碌亩鄰?fù)用技術(shù)能很好地工作。注意一點(diǎn)，該電路需要由AVR I/O接口的內(nèi)部阻抗。這確實(shí)有效，但是在“真正”的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)避免。

　　我們可以講這種新的方案成為“查理復(fù)用+（Charlieplex Plus）”。分析表明，依靠這樣的技術(shù)，一個(gè)I/O口可以比普通的查理復(fù)用技術(shù)多控制兩個(gè)LED。也就是說n個(gè)I/O口所能控制的LED數(shù)量就為2n+n²-n = n²+n。具體情況如上表所示。

　　你應(yīng)該在你的設(shè)計(jì)中采用這種思路嗎？恐怕不應(yīng)該，因?yàn)檫@種做法的缺陷和限制甚至比現(xiàn)有的查理復(fù)用還多。但是這卻很有趣！

　　所以回到最初，控制電子骰子最少需要多少個(gè)I/O口呢？

　　答案是2.