用3個IO口控制6個LED燈，怎么做到的？查理復用！

電子設計聯(lián)盟

7 a  n$ ~' p, Z, x▲ 本文要分析的電路
6 H9 o/ m* q  h$ t/ e事情是這樣開始的。買了個電動牙刷，幾十塊錢那種：

收到的實物長這樣：

牙刷手柄上有1個按鍵和6個LED燈：

+ t" [* ]: u. ^1 q3 x拆開看看電路板：
1 ]/ n$ ]8 Q) @" G0 h2 E$ L
可以看出，電路板上用的單片機，只有8個腳，卻要控制1個按鍵、6個LED燈、1個震動的馬達電機：
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, {9 s1 l/ k* G初看之下，GPIO應該是不夠用的。單片機除去電源腳（正極）和GND腳（負極），只剩最多6個GPIO腳。那么是怎么做到夠用的？原來，經(jīng)過巧妙的電路設計，這款電動牙刷實現(xiàn)了用3個GPIO控制6個LED燈，節(jié)省了GPIO。
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這個巧妙的電路如下：
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6個LED燈為相同的型號，為方便查看，用紅綠兩種顏色區(qū)分兩種不同的方向。一、原理分析這個電路用到了單片機GPIO的三種狀態(tài)：高電平低電平高阻態(tài)所謂“高阻態(tài)”，是指GPIO對外部電路表現(xiàn)出極大的阻抗。因阻抗很大，幾乎不會吸入電流，也不會對外輸出電流。各個LED燈單獨亮起，分為六種情況。1、當只有LED1亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：（帶箭頭的紅線為電流回路）

4 C  C4 T! ~! n' D9 m$ B2、當只有LED2亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：

3、當只有LED3亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
6 N  b) W0 F# A5 }* S
$ \. [/ K( z0 }! U4、當只有LED4亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
* D& J* Z+ n( _  E
5、當只有LED5亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：
2 f6 d1 S. G, ~) Z% U% E
6、當只有LED6亮起時，單片機各GPIO的狀態(tài)如下：

整理如下：

2 K" _1 C* V* |4 c0 b! I' z就是這么簡單！二、總結提升以上其實是用了一種叫“查理復用”（Charlieplex）的方法。為什么叫查理復用？
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2 x4 M6 f6 |. [  q很簡單，因為這個方法來源于美信半導體公司的工程師Charlie Allen。查理復用是一種能夠在驅動LED，特別是驅動大量LED時有效地節(jié)約GPIO的方法。使用該方法，n個GPIO可以驅動 n*(n-1) 個LED，所以：使用2個GPIO可以驅動2個LED。使用3個GPIO可以驅動6個LED。使用4個GPIO可以驅動12個LED。以此類推。這種方式能夠實現(xiàn)的基礎是：單片機GPIO的三個狀態(tài)：高電平、低電平、高阻態(tài)。LED具有單向導電性。查理復用設計的方法：任意兩個GPIO引腳之間串入兩個LED，這兩個LED為并聯(lián)，且LED方向相反。當你想要點亮某個特定的LED時，就將其兩端所連接到的GPIO引腳分別設定為高電平和低電平，其它剩余的GPIO引腳設定為高阻態(tài)。前面電動牙刷中6個LED燈的電路，就是這么設計的。下面從最簡單的開始，一步一步體會查理復用的電路設計。1、使用2個GPIO時最簡單：

0 B# N+ r! b8 PLED1亮起時：

5 V8 U- ]8 m5 o2 N& e/ XLED2亮起時：

這里只用到高電平、低電平的狀態(tài)，不需要用高阻態(tài)的狀態(tài)。2、使用3個GPIO時，前面已經(jīng)分析過：

" r) Y1 [" }' G可以等效為下圖：

可以看出，確實是任意兩個GPIO之間均串入了兩個并聯(lián)的LED，且LED方向相反。3、同樣的原理，使用4個GPIO時：
: g' D* o1 B/ B/ A  K) x: _
" Q/ r$ L; q! W5 |) c. g8 V: ^9 ^# u點亮LED1時：
4 c% J: g& K( u# {5 w6 w3 b: P
0 b9 W7 k& \# d9 u1 Q其他LED亮起的情況不再列舉。查理復用這樣的電路接法也會引發(fā)一些問題。首先，LED亮起時完全由單片機的GPIO輸出電流，所以對于GPIO的電流驅動能力有一定的要求。設計電路時要注意查詢自己使用的MCU的電流驅動能力，下圖是STM32單片機中對GPIO電流驅動能力的說明：
0 j4 N9 `% f1 w/ I5 r0 w( D5 R1 P# J
# F$ j8 A  N2 d5 C其次，如果出現(xiàn)了某個LED開路或短路的情況，電流的流向會被打亂，LED亮起來的邏輯會變得錯亂。最壞的情況下，電路會對GPIO索取大電流，導致單片機損壞。下圖是假設LED1短路，那么在點亮LED5時，LED3也會亮起：
6 ]) o6 g0 R  ?2 k8 k8 M  [
% ]! u* u1 x8 A- a三、繼續(xù)進階如果要同時亮起兩個以上的LED，怎么辦？交替點亮他們就行，只要交替切換的速度夠快，由于人眼的視覺暫留效應，看起來就是同時亮起的。值得一提的是，如果要同時亮起的LED較多，比如大規(guī)模的LED點陣，那么還要注意一些新的問題，頗有門道。 聲明：
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