也谈LED驱动
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LED：本文所说的LED主要是指下列几种：
7-段数码LED，分共阴和共阳两种，原理图见1和2；
常用nxm LED点阵：如8x8 LED 点阵模块、5x7 LED点阵模块等，其也分为共阴和共阳两种；
单个LED管。
所谓共阴极，即是将所有LED的阴极连接到一起，而共阳极则相反，所有的阳极被连接到了一起。但不管哪种结构，其显示设计的原理基本相同，唯一的是其驱动的电路的设计有所差异，一般共阴极采用推（Push）电流的方式来驱动，而共阳极结构则采用拉（Pull）电流的方式来驱动。
根据LED显示的硬件设计方法的不同，LED显示驱动分为静态法和动态法两大类，其具体的说明和编程方法分述如下：
1．静态显示驱动法：
所谓静态显示驱动法，即是指每一个LED灯分别对应一个独立的IO驱动口；其点亮和关闭由该IO来对其进行控制，互不干扰，见图3（注：对于IO驱动能力弱的MCU，必须增加外部的驱动芯片或驱动三极管等器件）。此种设计一般应用在对单个LED的驱动或LED数量较少，且所选的MCU IO比较充裕的情况下。比如一些项目的LED指示灯、产品的设计中只有一个7－段LED码需要显示等。
由于每一个LED均由独立的IO口来控制，因此此种显示驱动的软件设计比较简单明了，无需特别的处理，在需要点亮和关闭时设置相应的IO输出口的电平即可（即“0”或“1”，具体须根据驱动电路的设计来决定）。
图 3
优点：电路设计简单，编程简单，而且LED的亮度控制容易，只需在驱动端增加相应的电流调节电阻即可方便地实现亮度的调节（对于存在独立驱动的设计，还可以通过调整驱动电压来达到亮度的调节）。
缺点：由于每一个LED灯需要一个IO口，因此对IO口的需求较大，不易实现大数量的LED驱动和显示，扩展性能差。
2． 动态的显示驱动法：
与静态显示方法不同，动态LED显示的设计方法是将不同LED模块的所有的LED的驱动端一对一地连接到一起，见图4，而将其公共极（阴极或阳极）分别由不同的IO口来驱动（主要针对7－段码和LED点阵模块）。在此，我们称其公共极为扫描线或地址线（因此种连接方法类似于存储器的内部连接，每个LED点相当与Memory中的一个Bit），不同的LED模块（类似于Memory中的一个Byte）用不同的扫描线地址线来进行选定。
由于所有的LED模块公用了驱动端，因此LED的驱动不再像静态法一样为每个LED所独享，因此其驱动的设计方法也与静态法完全不同，需要采用分时扫描（也称动态扫描）方法来实现对所有LED的显示驱动，其原理如下（以图4为例）：
a. 将A0设置为高电平，也即允许第一组LED显示，同时将A2，A3，A4设置为低电平，也即关闭该阴极所对应的LED组的显示；
b.在P0口输出A0组对应的显示数据（也称为Pattern），如字符点阵数据，7－段码对应的数字的数据等，该数据可以通过ROM表的形式来预先定义；
c. 保持一定的时间T，该时间即为所设定定时器的中断时间；
d. 将A0口设置为低电平，关闭A0组LED的显示；
e.将A1设置为高电平，其他几个设置为低电平，开启A1组对应的LED的显示；
f. 在P0口输出A1组对应的显示数据（也称为Pattern，意义同上）；
g.重复以上步骤，直到所有组被扫描一遍，然后又从A0组开始下一个循环，如此周而复始，实现所有LED的动态显示。
该方法的原理利用了人眼对物体的视觉延迟来达到所有LED的同时显示，实际上，在每一个时刻，只有一组LED是处于显示的状态，而其他LED组均为关闭状态。理论上，若两次显示之间的时间间隔小于32ms时，人眼即无法分辨，因此，为了达到此要求，LED的扫描频率一般可按照下式计算得出：
f = 32 * N
式中，
f为扫描的频率，对应为定时器的定时时间（T＝1/f）；
32 则是由32ms换算而来，32ms对应的频率刚好为 32Hz；
N则是总的LED的组数（此例中为N=4）。
根据此式算出的扫描频率f实际上是LED 驱动扫描的最小频率，若低于此频率，则有可能导致LED的闪烁。当然，f也不可能越高越好，扫描的频率太高，相对而言，每一组LED的点亮的时间就越短，因此有可能导致LED的亮度不够或显示效果不理想等一些问题。当然提高LED的驱动电压也可以弥补由此造成的亮度不够的问题。
此例中，由公式可知其扫描的频率应大于等于128Hz，则较为理想。
2． MCU程序的实现：
a.模块的划分：
在说明其编程之前，先说明一下模块化编程思想在LED驱动设计中的应用。为了使程序的结构清晰和维护的便利，特别是为了使程序的移植等变得可行，在程序的设计过程中应尽可能地采用模块化的设计思想，对于复杂的程序结构和功能的实现，更应该在编程之前理顺其相互之间的关系，划分好各功能模块所应完成的功能，定义好各模块之间的数据接口和相互关系。
一般而言，显示部分所涉及到的内容和功能相对较广，比如按键的变化、系统状态的变化、数据的变化等均需在显示的结果上表现出来。因此，为了保证不同的模块之间的独立性，我们将与LED显示的有关的功能进行如下的划分：
1． 扫描驱动模块：此模块的功能只完成对所有LED的扫描，而不关心所显示的数据的具体变化情况，其从固定的显示缓冲其中提取每一扫描地址所对应的数据，该对应关系是固定的，由程序设计时来设定。该实现的方法类似与PC机中CRT的显示驱动和显示缓冲；
2．字符、点阵发生器：由于实际的数据与显示的数据（Pattern）之间并非是相同的，因此，需要将实际的数据转化成能够显示的数据。例如在MCU中的各种计算的数据是以BCD码或二进制码的形式来表示的，需要将其转化成7－段码或nxn点阵的Pattern数据进行显示；
3．显示缓冲刷新和处理模块：该模块的功能是接受诸如按键、系统状态变化、数据变化所引起的显示数据的变化。其需要调用到字符、点阵发生器来完成显示缓冲的刷新，其与按键、系统状态变化等之间的接口是采用消息的机制来实现。该模块一般需要根据不同的显示内容来进行分类，比如在跑步机的设计中，可以划分为如下的内容：距离、速度、时间、能量消耗、心率及其他相关的数据。
b.程序架构和实现
1．扫描模块的实现：由于LED的扫描驱动是一个重复的不间断的过程，自然，定时中断是最好的实现方法，其流程如图6所示，其中BuffPt用于指向当前的显示缓冲区，Ai则为当前所需显示的LED组的地址编号，从0到N(N为总的LED组数)；
2．刷新模块的实现：在MCU的程序设计中，一般将此模块置于16Hz的定时中断中（若主程序的循环周期不固定且最大的循环时间大于1/10秒时，常采用此架构）或主程序循环体中（此种情况主要时针对MCU时钟比较高的场合或不需考虑显示延时的情况下），通过检测对应的消息来决定其是否需要执行数据的刷新。以跑步机的设计为例，其功能流程如图7所示；
3．字符、点阵发生器：由于在一些实际的应用中，可能的显示内容原则上是可预知的和有限的，特别是汉字的显示，因此其主要是通过定义相应的点阵来保存各种需要显示数据。为了便于程序的设计，一般需将其按照一定的排列规则来进行定义，同时也需要为各个需要显示的字符和图符进行编码，编码的规则必须有利于程序的设计和提高代码的效率，以求能够采用统一的查表指令来实现。
图6
注：上述的流程只是一个原理性的程序说明，在实际的应用中，需要根据MCU的特点及具体的硬件设计来进行程序的设计与简化。比如：在实际的项目中有8x8（或小于8x8）个LED需要驱动，而且所选的MCU又是8位或16位的，则此时的地址线的扫描将变得非常的简单，只要建立字节变量Ai，其初始值为0x01，然后在每次中断处理程序中需将Ai直接输出到LED扫描线所对应的IO口即可，随后将Ai左移一位，对8x8 LED情况，当Ai＝0时，表示一遍扫描完成，此时再将Ai设为0x01即可。对于显示的缓冲区的分配，同样可以根据实际的软件设计来分配具体的RAM地址空间，以进一步提高程序的执行效率。记住，由于LED的扫描需要占用较多的MCU时间，因此在进行扫描驱动的程序设计时，需要尽可能采用简洁高效的代码，以便提高MCU的工作效率。举例来说，假如需驱动8x8 LED，根据前面所讲的要求，所需的定时器的中断频率必须是大于等于8x32，即256Hz，若在此驱动代码中多增加一条语句，则MCU每秒就需要多执行256条代码，由此可见高效的代码对于LED驱动程序来讲是多么重要，特别是当MCU的时钟不够快时！
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