發(fā)光二極管 (LED) 是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)信息顯示方法。但是，對(duì)于某些項(xiàng)目而言，一個(gè)單色 LED 可能不夠。而由于空間、成本或功耗限制，多個(gè) LED 又可能不太現(xiàn)實(shí)。針對(duì)這些情況，多色 LED 提供了一種有效的解決方案，前提是這種 LED 能與微控制器正確連接。
本文將首先闡述 LED 的基礎(chǔ)知識(shí)，然后討論多色 LED 的優(yōu)勢(shì)，之后介紹哪些是合適的多色 LED 解決方案，最后說(shuō)明如何將 LED 連接到微控制器，以產(chǎn)生多達(dá) 1600 萬(wàn)種不同的顏色。
將 LED 視為二極管
在設(shè)計(jì)帶 LED 的電路時(shí)，務(wù)必記住這些器件不是白熾燈泡，而是恰好能發(fā)光的半導(dǎo)體器件（二極管）。作為二極管，它們通常只允許電流主要流向一個(gè)方向（二極管并不理想，因此在反向偏置時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量電流）。
普通 LED 的發(fā)光部分是位于組件中心的簡(jiǎn)單半導(dǎo)體二極管，由單個(gè) p-n 結(jié)構(gòu)成（圖 1）。電流從連接到 P 型硅的 LED 陽(yáng)極流向連接到 N 型硅的 LED 陰極。在普通二極管中，p-n 結(jié)通常是鍺 (Ge) 或硅 (Si)。然而，對(duì)于 LED 而言，這個(gè)結(jié)通常是透明的磷砷化鎵 (GaAsP) 或磷化鎵 (GaP) 半導(dǎo)體材料。
利用透明的 GaAsP 或 GaP，施加在 p-n 結(jié)上的正向電壓會(huì)從半導(dǎo)體釋放出光子。p-n 結(jié)安裝在反射鏡腔上，而該鏡腔可將光子聚集到 LED 透鏡。LED 的透鏡和本體由透明環(huán)氧樹(shù)脂組成，而樹(shù)脂可選擇性地進(jìn)行著色，以匹配發(fā)射光的顏色。
反射鏡腔位于稱(chēng)為鐵砧的引線框上，陰極通過(guò)接合線連接到稱(chēng)為極柱的引線框上。鐵砧和極柱的形狀可使它們與 LED 環(huán)氧樹(shù)脂本體形成牢固連接，從而無(wú)法將陽(yáng)極或陰極引腳從 LED 環(huán)氧樹(shù)脂本體上拉出，造成 LED 損壞。
單色 LED
LED 有多種顏色可供選擇，包括紅色、綠色、黃色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出現(xiàn)的白色和藍(lán)色。單色 LED 配備的半導(dǎo)體芯片由可產(chǎn)生所需光線波長(zhǎng)的材料組成，并且 LED 環(huán)氧樹(shù)脂殼體組件通常具有相同的顏色。雖然不需要使透鏡具有與發(fā)射光相同的顏色，但重要的是，要容易識(shí)別 LED 元件的顏色，防止與其他 LED 混淆。
多色 LED
對(duì)于某些空間、成本和功耗受限的系統(tǒng)而言，最好使用一個(gè)能發(fā)出多種顏色的 LED。通常情況下，這種多色 LED 在一個(gè)透明環(huán)氧樹(shù)脂外殼內(nèi)部配備三個(gè) LED，分別是紅色、綠色和藍(lán)色 (RGB)。Adafruit Industries 的 2739 RGB LED 就是一個(gè)很好的例子（圖 2）。該 LED 專(zhuān)為多色指示燈而設(shè)計(jì)，配有一個(gè)寬 2.5 mm、高 5 mm 的矩形透鏡發(fā)光表面，以及四根可在 PC 板上進(jìn)行通孔安裝的徑向引線。
通常情況下，三個(gè)內(nèi)部 LED 中的任何一個(gè)均可以單獨(dú)使用，也可與其他 LED 結(jié)合使用，以產(chǎn)生不同的顏色。
多色 RGB LED 通常有三種引腳布局：
所有 LED 共用一個(gè)陽(yáng)極，每個(gè) LED 有一個(gè)陰極，總共四個(gè)引腳
所有 LED 共用一個(gè)陰極，每個(gè) LED 有一個(gè)陽(yáng)極，總共四個(gè)引腳
每個(gè)陽(yáng)極和陰極都分配引腳，總共六個(gè)引腳
使用多色 LED 進(jìn)行設(shè)計(jì)
Adafruit 的 2739 RGB LED 具有一個(gè)共陽(yáng)極，紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的每個(gè)陰極都分配引腳，總共四個(gè)引腳（圖 3）。共陽(yáng)極連接到正極電源，而每個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色 LED 通過(guò)接地來(lái)接通。
生成多種顏色
如果某種應(yīng)用只需要顯示三種狀態(tài)中的一種，那么使用 2739 RGB LED 的最簡(jiǎn)單方法是一次打開(kāi)一個(gè) LED，用戶(hù)可以選擇紅色、綠色或藍(lán)色中的一種。
對(duì)于多種顏色，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地將兩種顏色組合在一起，提供以下六種顏色選項(xiàng)：
紅色
綠色
藍(lán)色
黃色（紅色 + 綠色）
青色（綠色 + 藍(lán)色）
洋紅色（紅色 + 藍(lán)色）
為了編制清晰的項(xiàng)目文檔，顯示的顏色應(yīng)該清晰易辨，并且易于口頭確認(rèn)。例如，具有全電流的綠色 LED 可以在 LED 規(guī)格書(shū)中記錄為“綠黃色”。然而，當(dāng) LED 亮起時(shí)，大多數(shù)消費(fèi)者和開(kāi)發(fā)人員在被問(wèn)及時(shí)，都會(huì)將顏色識(shí)別為“綠色”。無(wú)論顏色的實(shí)際名稱(chēng)如何，用戶(hù)都應(yīng)該能夠通過(guò)視覺(jué)和標(biāo)簽輕松區(qū)分出不同的顏色。很少有人能夠輕易地識(shí)別出“綠色”和“綠黃色”之間的區(qū)別，如果這兩種顏色并排呈現(xiàn)，則可能將綠黃色識(shí)別為“綠色”，將綠色識(shí)別為“深綠色”。
對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，可以按不同的強(qiáng)度組合 RGB，從而產(chǎn)生多達(dá) 1600 萬(wàn)種顏色。實(shí)現(xiàn)這一目的的可靠方法是：將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)應(yīng)用于每個(gè) LED，其中占空比與強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。人眼可以識(shí)別出 200 赫茲 (Hz) 或更慢的閃爍頻率，因此，為了避免閃爍，應(yīng)使用 1000 Hz 或更快的 PWM 頻率。
顏色可通過(guò) RGB 色碼輕松選擇。這基于 RGB 加色模型，其中紅光、綠光和藍(lán)光在強(qiáng)度上各不相同，組合在一起幾乎可以重新生成任何顏色。該模型適用于光線，是電視和顯示屏中色彩再現(xiàn)的依據(jù)，還可用于呈現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)上的顏色。
RGB 色碼的簡(jiǎn)寫(xiě)用 (R,G,B) 表示，其中 R、G 和 B 是紅色、綠色和藍(lán)色強(qiáng)度的十進(jìn)制值，范圍介于 0 到 255 之間。例如，藍(lán)色的十進(jìn)制 RGB 色碼為 (0,0,255)，紫色為 (128,0,128)，銀色為 (192,192,192)。在確定每種顏色的 PWM 占空比時(shí)，需將這些值除以 255，因此藍(lán)色的占空比為 (0,0,100%)，紫色的占空比為 (50%,0,50%)，銀色的占空比為 (75%,75%,75%)。
從理論上講，白光由 (255,255,255) 表示，并且可通過(guò)同時(shí)打開(kāi)全強(qiáng)度的紅色、綠色和藍(lán)色 LED 來(lái)生成。然而，在實(shí)踐中，通過(guò)該方法產(chǎn)生的顏色通常是帶有偏藍(lán)色調(diào)的白色。出現(xiàn)這種色調(diào)是因?yàn)?，生成?LED 顏色與理想的紅色、綠色和藍(lán)色的精確波長(zhǎng)不完全匹配。
微控制器很容易生成所需的 PWM 信號(hào)。Microchip Technology 的 ATSAMC21J18A 就是一個(gè)合適的例子（圖 4）。該微控制器是一款用于物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的低功耗器件，是該公司 SAM C21 微控制器系列產(chǎn)品之一。它配有 48 MHz Arm® Cortex®-M0+ 內(nèi)核，支持 5 伏 I/O 電壓。
為了驅(qū)動(dòng) LED，ATSAMC21J18A 配有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元，能夠自動(dòng)生成三個(gè)同步 PWM 信號(hào)。SAM C21 系列產(chǎn)品配有高電流阱選件，可使連接各電流阱的四個(gè) I/O 引腳的最大電流為 20 毫安 (mA)。
使用 LED 時(shí)，選擇正確的串聯(lián)電阻器來(lái)限制電流非常重要。電阻值太小的電阻器會(huì)破壞 LED，而電阻值過(guò)高的電阻器會(huì)導(dǎo)致光線昏暗或無(wú)光。串聯(lián)電阻器的值由每個(gè) LED 的正向電壓和所需的電流決定。
LED 是電流控制的半導(dǎo)體。此外，值得注意的是，由于材料的物理特性，LED 的工作電壓會(huì)隨著發(fā)射光波長(zhǎng)的減小而增加，這是使用多個(gè) LED 時(shí)要考慮的重要因素。
當(dāng) Adafruit 的 2739 RGB LED 正向電流為 20 mA 時(shí)，Adafruit 圖表中規(guī)定的 LED 典型正向電壓為 2 伏（紅色）和 3.2 伏（綠色和藍(lán)色）。
如果共陽(yáng)極連接到 5 伏電壓，那么 LED 和 I/O 引腳之間的電阻值由以下等式確定：
其中：
VDD = 5 伏
VOL = ATSAMC21J18A 的輸出低壓 = 0.1 x VDD = 0.5 伏
VF = 正向電壓（典型值）
I = 正向電流，單位：安培
R = 電阻值，單位：歐姆 (Ω)
在 I = 20 mA 的情況下使用該公式，結(jié)果是：RRED (VF = 2 V) = 125 Ω，RGREEN = RBLUE (VF = 3.2 V) = 65 Ω。
如果計(jì)算出的電阻不能作為標(biāo)準(zhǔn)電阻值，開(kāi)發(fā)人員可以選擇下一個(gè)較低值，或者下一個(gè)較高值（首選）。如果選擇較低值，則必須注意，不得超過(guò)該 LED 的最大正向電壓或 ATSAMC21J18A I/O 端口的最大電流灌入能力。雖然在超過(guò)這些最大值時(shí) LED 仍然可以工作，但可能會(huì)降低 LED 的使用壽命，也可能隨著時(shí)間的推移，降低 I/O 端口的性能或損壞該端口。或者，如果應(yīng)用仍能接受較暗光線，則可以降低正向電流。例如，當(dāng)正向電流為 15 mA 時(shí)，Adafruit 的 2739 RGB LED 指定正向電壓會(huì)降至 1.9 伏（紅色）和 3.1 伏（綠色和藍(lán)色），這樣會(huì)導(dǎo)致電阻值 RRED = 173.3 Ω，RGREEN = RBLUE = 93.3 Ω。
由于 ATSAMC21J18A 可通過(guò)控制接地連接來(lái)控制 LED，當(dāng) I/O 端口為邏輯低電平時(shí)，單個(gè) LED 亮起；當(dāng) I/O 端口為邏輯高電平時(shí)，單個(gè) LED 熄滅。因此，必須倒置計(jì)算出的 RGB 色碼占空比。例如，如果顏色需要 25% 的占空比，則 PWM 必須能產(chǎn)生 75% 的占空比，才能使 LED 在 25% 的周期時(shí)間內(nèi)工作。此外，如果 LED 必須在上電時(shí)熄滅，則微控制器啟動(dòng)代碼必須能使三個(gè)引腳處于邏輯高電平。
ATSAMC21J18A 配備 256 Kb 閃存、32 Kb RAM 和各種模擬外設(shè)。該微控制器還配有六個(gè)串行通信模塊 (SERCOM)，每個(gè)模塊都可以作為 USART、SPI、LIN 從器件或 I2C 接口。
智能 RGB LED
使用 RGB LED 生成多種顏色的另一種方法是對(duì)其進(jìn)行編程。智能 LED 是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述這種帶有可編程串行接口的多色 LED。American Bright Optoelectronics 的 BL-HBGR32L-3-TRB-8 就是一個(gè)很好的例子。它是一款 5 mm 方形 RGB LED，可以使用 800 千赫 (kHz) I2C 接口進(jìn)行編程，從而產(chǎn)生任何顏色（圖 5）。
I2C 接口不僅可以節(jié)省板空間，而且可以簡(jiǎn)化微控制器代碼，這種便利性極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。ATSAMC21J18A 上的一個(gè) SERCOM 端口可配置為 I2C 串行接口，以便輕松連接到 BL-HBGR32L-3-TRB-8。參考圖 5 中的引腳布局，來(lái)自 ATSAMC21J18A 微控制器的 I2C 數(shù)據(jù)信號(hào)連接到引腳 1 數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，I2C 時(shí)鐘連接到引腳 2 時(shí)鐘輸入。
在對(duì) BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED 的顏色進(jìn)行編程時(shí)，需要發(fā)送四個(gè)代表全局亮度設(shè)置和 RGB 色碼的字節(jié)，作為一個(gè) 32 位字。這款智能 LED 在引腳 6 上配有數(shù)據(jù)輸出直通，在引腳 5 上配有 I2C 時(shí)鐘直通，這樣可使多個(gè) LED 能夠以菊花鏈方式連接在一起，以便每個(gè) LED 可以顯示不同的顏色。
總結(jié)
了解多色 RGB LED 的驅(qū)動(dòng)方式之后，不僅可以節(jié)省空間、成本和功耗，還可以增強(qiáng)終端系統(tǒng)、設(shè)備、狀態(tài)指示燈或照明系統(tǒng)的美觀性及用戶(hù)界面。開(kāi)發(fā)人員既可以選擇能對(duì)每個(gè) LED 進(jìn)行完全控制的標(biāo)準(zhǔn) RGB LED，也可以選擇能對(duì)顏色進(jìn)行編程控制的智能 LED。此外，當(dāng)涉及到通常用于產(chǎn)生 PWM 控制信號(hào)的微控制器時(shí)，目前有許多低功耗、低成本選項(xiàng)可供選擇。
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