用3個IO口控制6個LED燈，怎么做到的？

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▲ 本文要分析的電路

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：

拆開看看電路板：

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：

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，經過巧妙的電路設計，這款電動牙刷實現了用3個GPIO控制6個LED燈，節省了GPIO。

這個巧妙的電路如下：

6個LED燈為相同的型號，為方便查看，用紅綠兩種顏色區分兩種不同的方向。

一、原理分析

這個電路用到了單片機GPIO的三種狀態：

• 高電平

• 低電平

• 高阻態

所謂“高阻態”，是指GPIO對外部電路表現出極大的阻抗。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的狀態如下：（帶箭頭的紅線為電流回路）

2、當只有LED2亮起時，單片機各GPIO的狀態如下：

3、當只有LED3亮起時，單片機各GPIO的狀態如下：

4、當只有LED4亮起時，單片機各GPIO的狀態如下：

5、當只有LED5亮起時，單片機各GPIO的狀態如下：

6、當只有LED6亮起時，單片機各GPIO的狀態如下：

整理如下：

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？

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。

這種方式能夠實現的基礎是：

• 單片機GPIO的三個狀態：高電平、低電平、高阻態。

• 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，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。

• 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：

LED1亮起時：

LED2亮起時：

這里只用到高電平、低電平的狀態，不需要用高阻態的狀態。

2、使用3個GPIO時，前面已經分析過：

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的LED，且LED方向相反。

3、同樣的原理，使用4個GPIO時：

點亮LED1時：

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：

其次，如果出現了某個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：

三、繼續進階

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，比如大規模的LED點陣，那么還要注意一些新的問題，頗有門道。