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标题: 驱动电子骰子至少需要几个I/O口 [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2015-5-29 23:39 标题: 驱动电子骰子至少需要几个I/O口

最近一时冲动，买了一个成本非常低的电子骰子套件。组装的过程还是挺有古典趣味的。这个电路的设计风格还停留在70年代：一个CD4017，一个NE555，一对晶体管。当然，我开始思考，怎样用最高效的方式来实现呢？当然这意味着需要用到微控制器；而且还要达到我们资源利用尽可能低的目标。那么用一个带有3个I/O口的ATtiny10能够实现吗？
　　骰子的图案包含7个LED，但是，你可能很快就发现其中六个LED都是成对亮灭的，所以我们就具有3对LED外加一个额外的LED需要控制。这需要四个I/O口——但还是太多了！
　　要减少需要的I/O口，一个很显然的使用方法是“查理复用技术（Charliplexing）”，你能在网上找到很多关于查理复用技术电子骰子的电路图。简单来说，查理复用技术允许使用n个I/O口控制n2-n个LED。所以当我们采用查理复用技术时，我们就需要三个I/O口就够了。但对于我们使用的ATtiny10来说还是太多了，因为我们还需要一个额外的I/O口来“摇骰子”。
　　查理复用技术使用了微控制器I/O引脚的三态特性。同时激活的只有两个I/O口——其中一个为高电平，另一个为低电平——而其他引脚就是高阻抗状态。只有以正确的极性和激活的引脚直接相连的LED才能发光。而不与引脚直接相连的路径上的LED——比如连接到激活引脚的的是两个串联的LED——那么这些LED就不会发光，这是因为二极管的非线性电流-电压特性导致的。
　　现在，你可能会疑惑当只有一个I/O口（而不是两个）激活时会发生什么了？在查理复用技术的方案中什么也不会发生，但我们可以利用这一点。

　　以上的电路展示了怎样以不同的方案连接LED。除了两个I/O引脚之间的反平行对之外，作为查理复用技术的使用习惯，LED还需要连接到VCC（5V）和GND。串联的四个LED（LED1-4与LED5-8）的正向电压之和超过5V，所以当PB0和PB2处于高阻抗（Z）状态时，这些灯都不会发光。
　　当PB0和PB2中有一个引脚处于高电平或低电平状态，而另一个引脚为高阻抗状态时，那就会有一对LED会发光。而当PB0为高电平而PB2为低电平或恰好相反时，LED9或LED10就将和一对LED并联。这时大部分的电流会流过单个LED，所以这时只有LED9或LED10会发光。

　　上表是可能的编码。看到了吗？两个引脚可以控制六个部分的LED！这正是我们所需要的，任务完成了。
　　但需要说明一点：单个LED的亮度并不同于串联的两个LED。这可能需要在查理复用技术中进行校正。但是事实上由于人眼对光亮度的差异并没有特别敏感，两者的差异只能说是勉强可见。
　　简单测试一下（LED并未像骰子一样排列）。看起来我们新的多复用技术能很好地工作。注意一点，该电路需要由AVR I/O接口的内部阻抗。这确实有效，但是在“真正”的设计中应当避免。

　　我们可以讲这种新的方案成为“查理复用+（Charlieplex Plus）”。分析表明，依靠这样的技术，一个I/O口可以比普通的查理复用技术多控制两个LED。也就是说n个I/O口所能控制的LED数量就为2n+n2-n = n2+n。具体情况如上表所示。
　　你应该在你的设计中采用这种思路吗？恐怕不应该，因为这种做法的缺陷和限制甚至比现有的查理复用还多。但是这却很有趣！
　　所以回到最初，控制电子骰子最少需要多少个I/O口呢？
　　答案是2.

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