LED（lite EMIt diode）顯示是項目開發(fā)中經(jīng)常遇到的一種顯示方法，其具有亮度高、全視角、使用壽命長、驅(qū)動簡單等特點，因而在一些高端和大型的器材和設(shè)備上使用較為廣泛。下面就常用的led顯示及驅(qū)動方法作一說明：

led：本文所說的led主要是指下列幾種：

l 7-段數(shù)碼led，分共陰和共陽兩種，原理圖見1和2；

l 常用nxm led點陣：如8x8 led 點陣模塊、5x7 led點陣模塊等，其也分為共陰和共陽兩種；

l 單個led管。

所謂共陰極，即是將所有l(wèi)ed的陰極連接到一起，而共陽極則相反，所有的陽極被連接到了一起。但不管哪種結(jié)構(gòu)，其顯示設(shè)計的原理基本相同，唯一的是其驅(qū)動的電路的設(shè)計有所差異，一般共陰極采用推（push）電流的方式來驅(qū)動，而共陽極結(jié)構(gòu)則采用拉（pull）電流的方式來驅(qū)動。

根據(jù)led顯示的硬件設(shè)計方法的不同，led顯示驅(qū)動分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩大類，其具體的說明和編程方法分述如下：

1． 靜態(tài)顯示驅(qū)動法：

所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動法，即是指每一個led燈分別對應(yīng)一個獨立的io驅(qū)動口；其點亮和關(guān)閉由該io來對其進行控制，互不干擾，見圖3（注：對于io驅(qū)動能力弱的mcu，必須增加外部的驅(qū)動芯片或驅(qū)動三極管等器件）。此種設(shè)計一般應(yīng)用在對單個led的驅(qū)動或led數(shù)量較少，且所選的mcu io比較充裕的情況下。比如一些項目的led指示燈、產(chǎn)品的設(shè)計中只有一個7－段led碼需要顯示等。

由于每一個led均由獨立的io口來控制，因此此種顯示驅(qū)動的軟件設(shè)計比較簡單明了，無需特別的處理，在需要點亮和關(guān)閉時設(shè)置相應(yīng)的io輸出口的電平即可（即“0”或“1”，具體須根據(jù)驅(qū)動電路的設(shè)計來決定）。

圖 3

優(yōu)點：電路設(shè)計簡單，編程簡單，而且led的亮度控制容易，只需在驅(qū)動端增加相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)電阻即可方便地實現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)（對于存在獨立驅(qū)動的設(shè)計，還可以通過調(diào)整驅(qū)動電壓來達到亮度的調(diào)節(jié)）。

缺點：由于每一個led燈需要一個io口，因此對io口的需求較大，不易實現(xiàn)大數(shù)量的led驅(qū)動和顯示，擴展性能差。

2． 動態(tài)的顯示驅(qū)動法：

與靜態(tài)顯示方法不同，動態(tài)led顯示的設(shè)計方法是將不同led模塊的所有的led的驅(qū)動端一對一地連接到一起，見圖4，而將其公共極（陰極或陽極）分別由不同的io口來驅(qū)動（主要針對7－段碼和led點陣模塊）。在此，我們稱其公共極為掃描線或地址線（因此種連接方法類似于存儲器的內(nèi)部連接，每個led點相當(dāng)與memory中的一個bit），不同的led模塊（類似于memory中的一個byte）用不同的掃描線地址線來進行選定。

圖 4

由于所有的led模塊公用了驅(qū)動端，因此led的驅(qū)動不再像靜態(tài)法一樣為每個led所獨享，因此其驅(qū)動的設(shè)計方法也與靜態(tài)法完全不同，需要采用分時掃描（也稱動態(tài)掃描）方法來實現(xiàn)對所有l(wèi)ed的顯示驅(qū)動，其原理如下（以圖4為例）：

a. 將a0設(shè)置為高電平，也即允許第一組led顯示，同時將a2，a3，a4設(shè)置為低電平，也即關(guān)閉該陰極所對應(yīng)的led組的顯示；

b. 在p0口輸出a0組對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)（也稱為pattern），如字符點陣數(shù)據(jù)，7－段碼對應(yīng)的數(shù)字的數(shù)據(jù)等，該數(shù)據(jù)可以通過rom表的形式來預(yù)先定義；

c. 保持一定的時間t，該時間即為所設(shè)定定時器的中斷時間；

d. 將a0口設(shè)置為低電平，關(guān)閉a0組led的顯示；

e. 將a1設(shè)置為高電平，其他幾個設(shè)置為低電平，開啟a1組對應(yīng)的led的顯示；

f. 在p0口輸出a1組對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)（也稱為pattern，意義同上）；

g. 重復(fù)以上步驟，直到所有組被掃描一遍，然后又從a0組開始下一個循環(huán)，如此周而復(fù)始，實現(xiàn)所有l(wèi)ed的動態(tài)顯示。

１．該方法的原理利用了人眼對物體的視覺延遲來達到所有l(wèi)ed的同時顯示，實際上，在每一個時刻，只有一組led是處于顯示的狀態(tài)，而其他led組均為關(guān)閉狀態(tài)。理論上，若兩次顯示之間的時間間隔小于32ms時，人眼即無法分辨，因此，為了達到此要求，led的掃描頻率一般可按照下式計算得出：

f = 32 * n式中，

f為掃描的頻率，對應(yīng)為定時器的定時時間（t＝1/f）；

32 則是由32ms換算而來，32ms對應(yīng)的頻率剛好為 32Hz；

n則是總的led的組數(shù)（此例中為n=4）。

根據(jù)此式算出的掃描頻率f實際上是led 驅(qū)動掃描的最小頻率，若低于此頻率，則有可能導(dǎo)致led的閃爍。當(dāng)然，f也不可能越高越好，掃描的頻率太高，相對而言，每一組led的點亮的時間就越短，因此有可能導(dǎo)致led的亮度不夠或顯示效果不理想等一些問題。當(dāng)然提高led的驅(qū)動電壓也可以彌補由此造成的亮度不夠的問題。

在此例中，由公式可知其掃描的頻率應(yīng)大于等于128hz，則較為理想。

2．　mcu程序的實現(xiàn)：

a. 　模塊的劃分：

在說明其編程之前，先說明一下模塊化編程思想在led驅(qū)動設(shè)計中的應(yīng)用。為了使程序的結(jié)構(gòu)清晰和維護的便利，特別是為了使程序的移植等變得可行，在程序的設(shè)計過程中應(yīng)盡可能地采用模塊化的設(shè)計思想，對于復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)和功能的實現(xiàn)，更應(yīng)該在編程之前理順其相互之間的關(guān)系，劃分好各功能模塊所應(yīng)完成的功能，定義好各模塊之間的數(shù)據(jù)接口和相互關(guān)系。

一般而言，顯示部分所涉及到的內(nèi)容和功能相對較廣，比如按鍵的變化、系統(tǒng)狀態(tài)的變化、數(shù)據(jù)的變化等均需在顯示的結(jié)果上表現(xiàn)出來。因此，為了保證不同的模塊之間的獨立性，我們將與led顯示的有關(guān)的功能進行如下的劃分：

1．掃描驅(qū)動模塊：此模塊的功能只完成對所有l(wèi)ed的掃描，而不關(guān)心所顯示的數(shù)據(jù)的具體變化情況，其從固定的顯示緩沖其中提取每一掃描地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，該對應(yīng)關(guān)系是固定的，由程序設(shè)計時來設(shè)定。該實現(xiàn)的方法類似與pc機中crt的顯示驅(qū)動和顯示緩沖；

2．字符、點陣發(fā)生器：由于實際的數(shù)據(jù)與顯示的數(shù)據(jù)（pattern）之間并非是相同的，因此，需要將實際的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能夠顯示的數(shù)據(jù)。例如在mcu中的各種計算的數(shù)據(jù)是以bcd碼或二進制碼的形式來表示的，需要將其轉(zhuǎn)化成7－段碼或nxn點陣的pattern數(shù)據(jù)進行顯示；

3．　顯示緩沖刷新和處理模塊：該模塊的功能是接受諸如按鍵、系統(tǒng)狀態(tài)變化、數(shù)據(jù)變化所引起的顯示數(shù)據(jù)的變化。其需要調(diào)用到字符、點陣發(fā)生器來完成顯示緩沖的刷新，其與按鍵、系統(tǒng)狀態(tài)變化等之間的接口是采用消息的機制來實現(xiàn)。該模塊一般需要根據(jù)不同的顯示內(nèi)容來進行分類，比如在跑步機的設(shè)計中，可以劃分為如下的內(nèi)容：距離、速度、時間、能量消耗、心率及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)。

b. 　程序架構(gòu)和實現(xiàn)

1．　掃描模塊的實現(xiàn)：由于led的掃描驅(qū)動是一個重復(fù)的不間斷的過程，自然，定時中斷是最好的實現(xiàn)方法，其流程如圖6所示，其中bufFPt用于指向當(dāng)前的顯示緩沖區(qū)，ai則為當(dāng)前所需顯示的led組的地址編號，從0到n（n為總的led組數(shù)）；

2．　刷新模塊的實現(xiàn)：在mcu的程序設(shè)計中，一般將此模塊置于16hz的定時中斷中（若主程序的循環(huán)周期不固定且最大的循環(huán)時間大于1/10秒時，常采用此架構(gòu)）或主程序循環(huán)體中（此種情況主要時針對mcu時鐘比較高的場合或不需考慮顯示延時的情況下），通過檢測對應(yīng)的消息來決定其是否需要執(zhí)行數(shù)據(jù)的刷新。以跑步機的設(shè)計為例，其功能流程如圖7所示；

3．　字符、點陣發(fā)生器：由于在一些實際的應(yīng)用中，可能的顯示內(nèi)容原則上是可預(yù)知的和有限的，特別是漢字的顯示，因此其主要是通過定義相應(yīng)的點陣來保存各種需要顯示數(shù)據(jù)。為了便于程序的設(shè)計，一般需將其按照一定的排列規(guī)則來進行定義，同時也需要為各個需要顯示的字符和圖符進行編碼，編碼的規(guī)則必須有利于程序的設(shè)計和提高代碼的效率，以求能夠采用統(tǒng)一的查表指令來實現(xiàn)。

圖6

注：上述的流程只是一個原理性的程序說明，在實際的應(yīng)用中，需要根據(jù)mcu的特點及具體的硬件設(shè)計來進行程序的設(shè)計與簡化。比如：在實際的項目中有8x8（或小于8x8）個led需要驅(qū)動，而且所選的mcu又是8位或16位的，則此時的地址線的掃描將變得非常的簡單，只要建立字節(jié)變量ai，其初始值為0x01，然后在每次中斷處理程序中需將ai直接輸出到led掃描線所對應(yīng)的io口即可，隨后將ai左移一位，對8x8 led情況，當(dāng)ai＝0時，表示一遍掃描完成，此時再將ai設(shè)為0x01即可。對于顯示的緩沖區(qū)的分配，同樣可以根據(jù)實際的軟件設(shè)計來分配具體的ram地址空間，以進一步提高程序的執(zhí)行效率。記住，由于led的掃描需要占用較多的mcu時間，因此在進行掃描驅(qū)動的程序設(shè)計時，需要盡可能采用簡潔高效的代碼，以便提高mcu的工作效率。舉例來說，假如需驅(qū)動8x8 led，根據(jù)前面所講的要求，所需的定時器的中斷頻率必須是大于等于8x32，即256hz，若在此驅(qū)動代碼中多增加一條語句，則mcu每秒就需要多執(zhí)行256條代碼，由此可見高效的代碼對于led驅(qū)動程序來講是多么重要，特別是當(dāng)mcu的時鐘不夠快時！