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Charlieplexing 基本原理

Charlieplexing 注意事項

結論

最近發現一個非常有意思的實驗：查理複用技術控制LED燈（按鍵）。

簡單來說就是：希望能夠用較少的I/O口控制較多的LED燈！按照Charlieplexing 方法，n個引腳可以有n*（n-1）個組合，也就是說，可以用n個引腳驅動n*（n-1）個LED燈！帥吧！比起我們一個引腳控制1個LED燈，多了n-1倍。使用行列式驅動，也沒這個控制的多。到底多了多少呢？計算一下：

1個引腳——當然只能控制一個LED燈啦。

2個引腳——2個燈，冒失沒有多呀——但是：不用共地/共電。

3個引腳——6個燈！依然不用共地什麼的。

4個引腳——12個燈！（傳統的控制方式需要7個引腳）。

查閱了相關資料，進行總結分享~

Charlieplexing 作為一種 LED 顯示器多路複用的方法，能夠使人們控制的 LED 數量大得多，在 LED 領域應用廣泛。利用“行列分時複用”的思想，它能使用 N 條 I/O 線路來控制 N*(N—1)只 LED，而標準的多路複用發法控制的 LED 則少得多。

• Charlieplexing 基本原理

當使用 Charlieplexing 方法，n 引腳可以有 n*（n—1）個組合。也就是說，它可以用 n個引腳驅動 n*（n—1）個 LED 二極體。而傳統的行列複用則需要更多的引腳來驅動相同的LED 二極體，也就是說要驅動 6 個 LED，用行列式需要 5 個口，而這種方法只要 3 個。LED越多，節省的 IO 越多。比方說驅動 20 個 LED，行列式要用 9 個，而這種只要 5 個。

1、互補驅動

Charlieplexing 最簡單的形式如圖 1 所示，是使用 LED 的互補對稱矩陣。

 矩陣橫座標是 LED 正負極性之間的電壓值，縱座標是 LED1 和 LED2。charlieplexed矩陣是這樣的：通過應用一個正電壓針腳 1 和接地引腳 0，LED1 會亮起。由於電流不能流過反向偏置的 LED2，發光二極體 2 將保持熄滅。如果在引腳 1 和引腳 2 的電壓是反向的，發光二極體燈 LED 2 將亮而 LED1 將熄滅。

2、 三態邏輯擴充套件

這是一張 3 個 IO 驅動 6 只 LED 的簡化版電路圖，電阻在這裡起限流決定性作用：

這裡出現了一個問題，為了使我們能夠更好的演示前面那個例子，在使用其中的兩個引腳前，必須斷開另外的一個引腳。這可以使用微控制器引腳的三態邏輯來解決。微控制器管腳通常有三種狀態，5V、0V 和高阻態。輸入方式置於高阻狀態，從電流上講是從電路上斷開那個引腳，意思就是非常小的電流或者沒有電流流過它。這使得電路在任何時候可以使用任何數目的引腳，只需要簡單的改變引腳的狀態。為了驅動上面 6 個 LED 矩陣，我們所期望亮的兩個 LED 相應的連線到 5V 和 0V，第三個腳設定為輸入狀態。這樣做我們可以防止電流從第三引腳洩露出，以確保我們期望的 LED 燈是唯一一個點亮。採用三態邏輯，只要引腳可用，矩陣理論上可以擴充套件到任何大小。任何可以被點亮的 LED 採用 5V 和 0V 至其相應的管腳，矩陣的所有其他引腳設定成輸入高阻態。 

• Charlieplexing 注意事項

1、LED  顯示頻率

因為 LED 二極體是單極性的，都具有一個陽極和陰極，Charlieplexing 通過輸出一個變化的頻率，幾乎可以同時點亮 LED 二極體。當頻率確定，所有的 LED 不會同時點亮，而是一個簡單的發光二極體被點亮，然後再設定，點亮另一個，週期重複。但如果頻率足夠快，人眼會認為 LED 是一直亮著的。為使顯示為沒有任何明顯的閃爍，為每個 LED 的重新整理速率必須大於 50Hz。基於 Charlieplexing 的方法使用 8 引腳來控制 56 個 LED，這個足夠給 8 個7 段數碼管顯示（不包括小數點）。通常情況下 7 段數碼管有一個共同的陽極，或者一個共陰極，假設它是一種常見的共陰極。所有的 8 個 7 段 LED 數碼器不能同時開啟通過任何Charlieplexing 的理想組合，由 8 位直接得到 56 位的資訊是不可能的，相反，人眼被使用的閃爍給欺騙了。只有一個 7 段數碼管顯示，其它 7 個發光二極體可以在任何時候被啟用。這將是該做的方法為 8 個數碼管中的 8 個共陰極每一個都分配一個獨特的 I / O 埠引腳。在任何時候，只有唯一一個 I/O 控制引腳被置低，因此只有它的 7 段數碼管的陽極連線到正極就可以使 LED 點亮。這樣就啟用一個 7 段數碼管，被啟用的 7 段數碼管顯示的 7 段 LED 陽極可以在任何組合轉向由其他 7 個 I/O 埠或高阻抗模式的任意組合。它們通過電阻被連線到剩下的 7 個引腳中（共陰極連線到引指令碼身，不是通過一個電阻，否則電流會分流到所有開啟的數碼管）。但為了顯示所需的數字需要使用 8 個數碼管，只有 7 段數碼管在同一時段被顯示，因此 8 個引腳必須通過單獨的迴圈，並在每個頻率至少為 50Hz。一次顯示必須重新整理在 400Hz 通過全部 8 段，確保 LED 的閃關燈不低於 50 次每秒，這就要求微處理器執行中斷至少 400 次每秒。

 2、峰電流

由於佔空比下降，一個 Charlieplexing 電路的顯示速度必須比傳統的複用顯示技術更快。當顯示的數量變大，通過 LED 的平均電流必須（大約）大於一個維持它持續點亮的常數，這要求增加相應的電流峰值。這將導致限制了使用 Charlieplexing 顯示數量的問題。LED通常有一個最大峰值電流額定值以及平均額定電流。如果微控制器程式碼崩潰，已點亮的 LED比傳統的複用處在一個非常大的電壓下，增加了一個危險故障。

3、三態要求

所有的輸出埠用於驅動一個 charlieplexed 必須有三態。如果電流足夠低以至於不能直接驅動微控制器的 I/O 引腳顯示，這是沒有問題的，但如果必須使用外部狀態，每個三態一般需要兩個輸出線，以控制消除了一個 charlieplexed 顯示優勢。由於來自微控制器引腳的電流通常僅限於 20mA，因此這嚴重限制了一個 charlieplexed 顯示的實際尺寸。但是，這是可以做到使一段數碼管在一個時刻亮。

4 、正向電壓的複雜性

Charlieplex 矩陣比傳統的複合矩陣明顯更加複雜，無論是在所需的 PCB 板佈局和微控制器程式設計，這增加了設計時間。當使用不同正向的電壓的 LEDs，不如使用不同的彩色 LEDs，可能存在的問題就是我們不期望亮的 LED 會亮起。

如果我們仔細看看上面的設計，我們會注意到，例如我們想點亮 D1，可以令 Net1=1，Net2=0，Net3=Z，這樣，D1 就亮起來了，什麼問題也沒有，可是如果 D1 損壞，或者沒有安裝時，問題就來了。當電源電壓較高時(例如 5V)，會形成圖中箭頭所示電流回路，造成 D4、D5 兩隻 LED 被意外點亮，而 3V 電壓為什麼沒事呢，因為對於大部分 LED，3V 電壓還沒達到LED 壓降的兩倍，所以不會導致兩隻二極體串聯導通（稱之為二極體連鎖現象）。

這僅僅是 3 個 IO 的情況，有更多 IO 的情況下將更糟糕，而且如果你使用了擴流電路，問題會非常棘手，這也是為什麼 Charliplex 結構的電壓必須小心選擇 LED 壓降和電源電壓的原因，否則只要有一兩個壞點就足以毀了整個螢幕的畫面 。不光是 LED 屏，某些掃描鍵盤中也存在類似現象。 

5 、LED 故障

如果一個 LED 出現故障，無論是成為一個開路電路，或者是一個短路電路，或者是漏電路（潛在的並聯電路導致電流分流），將會影響一個整體的顯示，而且實際壞了的 LED很難被發現，當不只是一個 LED 而是可能潛在的一系列 LEDs 會被同時點亮，如果對電路沒有詳細的瞭解，哪一個 LED 壞了和怎麼設定 LED 點亮的區分就不能很容易的建立。

如果壞了的 LED 成為一個斷路，LED2 兩端的電壓可能會建立起來，知道找到一個路徑通過兩個 LEDs。有很多這樣的路徑，因為引腳被用來控制陣列減 2 個方向；如果在節點M 陽極和節點 N 陰極上的 LED 壞了，可能每個 LED 在節點 M 陽極，陰極是 P，隨之而來的 LED 陽極是 P 並且陰極是 N，都會被點亮。

如果有 8 個 I/O 引腳控制矩陣，這意味著將會有 6 個獨立的路徑通過每兩個 LEDs，也就是 12 個 LED 會被無意點亮，但是幸運的是這隻發生在假定一個 LED 壞了，這可能只發生一小部分時間，當有故障的 LED 沒有被點亮時，這不會影響整體的功能。如果問題是在節點 x 和 y 間短路，則每次任何一個 LED1 是以 x 或者 y 最為它的陽極或陰極，其他的節點z 作為他另外一個點選，假定將要被點亮（假定 LED1 的陰極連線 x），LED2 的陰極 y 和陽極 z 將也會點亮，所以任何時間任一節點 x 或 y 作為陽極或者陰極，兩個 LEDs 會代替一個而點亮。在這種情況下，它只是無意的點亮一個附加的 LED，但是它的頻率比較快，不
只是當壞的 LED 假定被點亮，當任何一個 LED 有一個引腳和壞了的 LED 是共用的也會假定被點亮。

這個問題變得特別困難來確定是否有兩個或者兩個以上的 LED 是壞的。這意味著不像大多數方法一樣，其中一個 LED 損壞的原因只是被燒燬了。當使用 Charlieplexing，一個或兩個燒燬的發光二極體，無論失敗的模式，幾乎肯定會導致意想不到的 LED 被點亮，這些仍然工作的很可能使整個裝置完全無法使用，立即發生連鎖反應。裝置的使用壽命和破壞特徵都必須要在設計時考慮。

• 結論

Charlieplexing 除了應用在 LED 二極體的輸出控制上，也可以用於微處理器輸入訊號的複用上，一個典型應用如一個標準（4*3）12 鍵盤只需要使用 4 個 I/O 線，而傳統的行列掃描方法需要 4+3=7 個 I/O 線，因此 Charlieplexing 節約了三個 I/O 口。雖然 Charlieplexing面臨一系列問題待解決，但是其應用在 LED 控制中仍具有廣泛前景。