有趣設計：驅動電子骰子至少需要幾個I/O口？-光電顯示-電子元件技術網

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有趣設計：驅動電子骰子至少需要幾個I/O口？

發布時間：2015-06-05 責任編輯：sherry

【導讀】最近一時衝動，買了一個成本非常低的電子骰子套件。組裝的過程還是挺有古典趣味的。這個電路的設計風格還停留在70年代：一個CD4017，一個NE555，一對晶體管。當然，我開始思考，怎樣用最高效的方式來實現呢？當然這意味著需要用到微控製器；而且還要達到我們資源利用盡可能低的目標。那麼用一個帶有3個I/O口的ATtiny10能夠實現嗎？

骰子的圖案包含7個LED，但是，你可能很快就發現其中六個LED都是成對亮滅的，所以我們就具有3對LED外加一個額外的LED需要控製。這需要四個I/O口——但還是太多了！

要減少需要的I/O口，一個很顯然的使用方法是“查理複用技術（Charliplexing）”，你能在網上找到很多關於查理複用技術電子骰子的電路圖。簡單來說，查理複用技術允許使用n個I/O口控製n²-n個LED。所以當我們采用查理複用技術時，我們就需要三個I/O口就夠了。但對於我們使用的ATtiny10來說還是太多了，因為我們還需要一個額外的I/O口來“搖骰子”。

查理複用技術使用了微控製器I/O引腳的三態特性。同時激活的隻有兩個I/O口——其中一個為高電平，另一個為低電平——而其他引腳就是高阻抗狀態。隻有以正確的極性和激活的引腳直接相連的LED才能發光。而不與引腳直接相連的路徑上的LED——比如連接到激活引腳的的是兩個串聯的LED——那麼這些LED就不會發光，這是因為二極管的非線性電流-電壓特性導致的。

現在，你可能會疑惑當隻有一個I/O口（而不是兩個）激活時會發生什麼了？在查理複用技術的方案中什麼也不會發生，但我們可以利用這一點。

以上的電路展示了怎樣以不同的方案連接LED。除了兩個I/O引腳之間的反平行對之外，作為查理複用技術的使用習慣，LED還需要連接到VCC（5V）和GND。串聯的四個LED（LED1-4與LED5-8）的正向電壓之和超過5V，所以當PB0和PB2處於高阻抗（Z）狀態時，這些燈都不會發光。

當PB0和PB2中有一個引腳處於高電平或低電平狀態，而另一個引腳為高阻抗狀態時，那就會有一對LED會發光。而當PB0為高電平而PB2為低電平或恰好相反時，LED9或LED10就將和一對LED並聯。這時大部分的電流會流過單個LED，所以這時隻有LED9或LED10會發光。

上表是可能的編碼。看到了嗎？兩個引腳可以控製六個部分的LED！這正是我們所需要的，任務完成了。

但需要說明一點：單個LED的亮度並不同於串聯的兩個LED。這可能需要在查理複用技術中進行校正。但是事實上由於人眼對光亮度的差異並沒有特別敏感，兩者的差異隻能說是勉強可見。

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簡單測試一下（LED並未像骰子一樣排列）。看起來我們新的多複用技術能很好地工作。注意一點，該電路需要由AVR I/O接口的內部阻抗。這確實有效，但是在“真正”的設計中應當避免。

我們可以講這種新的方案成為“查理複用+（Charlieplex Plus）”。分析表明，依靠這樣的技術，一個I/O口可以比普通的查理複用技術多控製兩個LED。也就是說n個I/O口所能控製的LED數量就為2n+n²-n = n²+n。具體情況如上表所示。

你應該在你的設計中采用這種思路嗎？恐怕不應該，因為這種做法的缺陷和限製甚至比現有的查理複用還多。但是這卻很有趣！

所以回到最初，控製電子骰子最少需要多少個I/O口呢？

答案是2.

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