多路復(fù)用方法帶來引腳數(shù)量更少的LED顯示器

Charlieplexing作為一種LED顯示器多路復(fù)用方法，最近吸引了很多注意，這是因?yàn)樗谷藗兡苡肗條I/O線路來控制N×(N-1)只LED（參考文獻(xiàn)1至參考文獻(xiàn)5）。而標(biāo)準(zhǔn)的多路復(fù)用方法控制的LED則少得多。表1列出了用Charlieplexing方法和標(biāo)準(zhǔn)多路復(fù)用方法所能控制的LED數(shù)量，它把N條I/O線路的可用數(shù)量劃分成數(shù)量適當(dāng)?shù)男信c列。表1還列出了當(dāng)LED處于接通狀態(tài)時(shí)，流過LED的電流的占空比。

顯然，在給定了I/O線路數(shù)量時(shí)，Charlieplexing使人們能控制的LED數(shù)量大得多。但是，該方法的缺點(diǎn)是流過LED的電流的占空比更低。因此為了保持特定亮度，流過LED的峰值電流必須按比例增加，該電流會(huì)迅速到達(dá)LED的峰值電流極限。盡管如此，Charlieplexing對(duì)于多達(dá)10條I/O線路而言仍是一種可行方法，使人們能控制多達(dá)90只LED。如需利用標(biāo)準(zhǔn)多路復(fù)用方法來控制等量的LED，則需要19條I/O線路。

本設(shè)計(jì)對(duì)Charlieplexing方法提出了改進(jìn)建議，使人們能控制的LED增加了一倍。因此，本文建議的方法GuGaplexing使人們僅用N條I/O線路和幾個(gè)額外分立元件即可控制2×N×(N-1)只LED（圖1）。如需用Charlieplexing方法接通LED D1，需把P1設(shè)為邏輯1，P2設(shè)為邏輯0。如需接通LED D2，需把P1設(shè)為邏輯0，P2設(shè)為邏輯1。圖2描繪了建議的GuGaplexing方案，用2條I/O線路控制4只LED。GuGaplexing方法利用了每條I/O線路有三種狀態(tài)這一事實(shí)：1、0、高阻抗。因此，利用2條I/O線路，可用8種可能狀態(tài)中的狀態(tài)00、01、10、11來控制LED。

表2列出的晶體管對(duì)的輸出端電壓對(duì)應(yīng)于P1和P2這兩條I/O線路的各種狀態(tài)。晶體管對(duì)由BC547 NPN和BC557 PNP晶體管組成，推薦使用匹配的晶體管對(duì)。對(duì)于N條I/O線路，GuGaplexing方法需要N-1個(gè)晶體管對(duì)。表3列出了I/O線路P1和P2的狀態(tài)，以及節(jié)點(diǎn)PR1的電壓，用于控制4只LED。該電路要求LED接通電壓應(yīng)略高于VCC/2。因此，對(duì)于接通電壓約為1.8V的紅光LED，適合的電源電壓為2.4V。同樣，對(duì)于藍(lán)光或白光LED，可使用5V電源電壓?，F(xiàn)代微控制器，特別是Atmel公司的AVR系列微控制器，工作于1.8V~5.5V的多種電源電壓，本設(shè)計(jì)方案使用Tiny13微控制器實(shí)施GuGaplexing方法。

圖3描繪的節(jié)點(diǎn)PR1的電壓對(duì)應(yīng)于多種電源電壓值，此時(shí)晶體管對(duì)的輸入處于浮動(dòng)狀態(tài)。Spice模擬確保了電路工作適當(dāng)，以便在PR1節(jié)點(diǎn)提供VCC/2，用于實(shí)現(xiàn)輸入浮動(dòng)時(shí)的多種工作電源電壓值。

一種24只LED組成的光柱顯示器以實(shí)際應(yīng)用證明了該方案的有效性（圖4）。該顯示器可編程，并為模擬輸入電壓使用一種線性顯示方案。這種24只LED的顯示器以離散步長顯示模擬輸入電壓。24只LED的控制僅需4條I/O線路和3對(duì)晶體管。該系統(tǒng)使用透明封裝的5 mm白光LED和5 V電源電壓。GuGaplexing的實(shí)施使用了AVR ATTiny13微控制器。模擬輸入電壓連至Tiny13微控制器的ADC輸入端的7號(hào)引腳。

可提供ATTiny13微控制器的控制程序（http://a330.g.akamai.net/7/330/2540/20081008181905/www.edn.com/contents/images/4274%20listing.zip），源代碼是C語言，用AVRGCC免費(fèi)軟件編譯器編譯?？梢孕薷脑创a來顯示僅僅一個(gè)輸入電壓范圍(0V ~ 5V)。例如，可以有一個(gè)1V ~ 3V的線性顯示范圍，或?yàn)?V ~ 3V輸入電壓使用對(duì)數(shù)比例。

參考文獻(xiàn)
1. Lancaster, Don, Tech Musings, August 2001.
2. “Charlieplexing: Reduced Pin-Count LED Display Multiplexing,” Application Not
3. Chugh, Anurag, and Dhananjay V Gadre, “Eight-Pin Microcontroller Handles Two-Digit Display With Multiple LEDs,” Electronic Design, 2007-5-24.
4. Gadre, Dhananjay V, and Anurag Chugh, “Microcontroller drives logarithmic/linear dot/bar 20-LED display,” EDN, 2007-1-18, pg 83.
5. Benabadji, Noureddine, “PIC microprocessordrives 20-LED dot- or bar-graph display,” EDN, Sept 1, 2006, pg 71. Saurabh Gupta和Dhananjay V Gadre，Netaji Subhas理工學(xué)院（印度新德里杜瓦爾卡）