多路復用方法帶來引腳數(shù)量更少的LED顯示器

Charlieplexing作為一種LED顯示器多路復用方法，最近吸引了很多注意，這是因為它使人們能用N條I/O線路來控制N×(N-1)只LED（參考文獻1至參考文獻5）。而標準的多路復用方法控制的LED則少得多。表1列出了用Charlieplexing方法和標準多路復用方法所能控制的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?shù)男信c列。表1還列出了當LED處于接通狀態(tài)時，流過LED的電流的占空比。

顯然，在給定了I/O線路數(shù)量時，Charlieplexing使人們能控制的LED數(shù)量大得多。但是，該方法的缺點是流過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，該電流會迅速到達LED的峰值電流極限。盡管如此，Charlieplexing對于多達10條I/O線路而言仍是一種可行方法，使人們能控制多達90只LED。如需利用標準多路復用方法來控制等量的LED，則需要19條I/O線路。

本設計對Charlieplexing方法提出了改進建議，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設為邏輯1，P2設為邏輯0。如需接通LED D2，需把P1設為邏輯0，P2設為邏輯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：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列出的晶體管對的輸出端電壓對應于P1和P2這兩條I/O線路的各種狀態(tài)。晶體管對由BC547 NPN和BC557 PNP晶體管組成，推薦使用匹配的晶體管對。對于N條I/O線路，GuGaplexing方法需要N-1個晶體管對。表3列出了I/O線路P1和P2的狀態(tài)，以及節(jié)點PR1的電壓，用于控制4只LED。該電路要求LED接通電壓應略高于VCC/2。因此，對于接通電壓約為1.8V的紅光LED，適合的電源電壓為2.4V。同樣，對于藍光或白光LED，可使用5V電源電壓。現(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，本設計方案使用Tiny13微控制器實施GuGaplexing方法。

圖3描繪的節(jié)點PR1的電壓對應于多種電源電壓值，此時晶體管對的輸入處于浮動狀態(tài)。Spice模擬確保了電路工作適當，以便在PR1節(jié)點提供VCC/2，用于實現(xiàn)輸入浮動時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際應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免費軟件編譯器編譯。可以修改源代碼來顯示僅僅一個輸入電壓范圍(0V ~ 5V)。例如，可以有一個1V ~ 3V的線性顯示范圍，或為2V ~ 3V輸入電壓使用對數(shù)比例。

參考文獻
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理工學院（印度新德里杜瓦爾卡）