这次介绍的项目是通过 FireBeetle ESP32 实现一个 8*16的单色LED矩阵，可以在上面实现一些简单的图形和动画效果。
在开始之前，首先介绍LED 的静态驱动和动态驱动的概念。当我们在一个发光二极管两端加上一个电压的时候，发光二极管即可工作。理论上，如果驱动N个共阴极的LED那么需要N个提供正电压。这种带来一个问题，如果需要驱动大量的LED，那么就同样需要同样数量的引脚作为正极。对于单片机来说，会遇到IO引脚不够的问题。
这种直接驱动的方式称作“静态显示驱动”。与之相对，还可以通过构成矩阵的方式来进行驱动。以3×3的LED矩阵为例，通过6个IO 引脚可以驱动9个LED。
可以看到这种电路，我们可以一次性点亮一行或者一列上的LED，但是如果要点亮的位于不同的行列就会出现问题。例如：我们希望在矩阵上点亮LED0和LED6, 那么需要Y0、Y2为高，X0 为低，这种情况比较简单；但是如果需要同时点亮LED0和 LED4 问题就变得麻烦。因为 LED0 要求Y0 为高X0为低才能点亮，LED4 要求Y1为高X1为低，但是Y1为高X0为低时LED3也会同时亮起。因此，这里需要引入一个分时点亮的方法，比如，先设置Y0 为高X0为低点亮LED0，再设置Y0为低熄灭LED0，设置Y1为高X1为低点亮LED4，只要点亮速度足够快眼睛无法分辨出他们不是同时点亮的。这就是所谓的“动态扫描”。
如果使用 Arduino 编写代码，通常需要使用一个定时中断：
Void timerInterrupt()
{
熄灭上一次的行，点亮第x行
x=x+1
}
可以看出，这样的方法会使得程序复杂度上升，同样的，对于N 个灯需要根号N 个 IO。经过研究发现一个好玩的 IC: WCH 的 CH423。它是IC I/O 扩展芯片，功能如下【参考1】：
- 通过两线串行接口远程扩展出8 个通用输入输出引脚GPIO 和16 个通用输出引脚GPO。
- 内置电流驱动级，连续驱动电流不小于15mA，OC 引脚输出1/16 脉冲灌电流不小于120mA。
- 静态显示驱动方式支持24 只发光管LED 或者3 位共阳数码管。
- 分时动态扫描显示驱动方式支持128 只发光管LED 或者16 位共阴数码管，支持亮度控制。
- 双向I/O 引脚在输入方式下具有输入电平变化时产生中断的功能，中断输出低电平有效。
- 16 个通用输出引脚可以选择推挽输出或者开漏输出。
- 支持3V～5V 电源电压，支持低功耗睡眠，可以被输入电平变化唤醒。
- 高速2 线串行接口，时钟速度从0 到1MHz，兼容两线I2C 总线，节约引脚。
- 提供SDIP28 和SOP28 两种无铅封装，兼容RoHS。
这次的试验就使用这个芯片来实现一个 8×16的LED点阵。
首先进行电路设计：
芯片是I2C 接口，控制线路非常简单：SCl和SDA就好了。CH423是SOP28封装，为了便于试验我从淘宝购买了一个SOP28转DIP的小PCB，焊接之后将CH423插入到PCB上。接下来是LED矩阵的设计：
其中 SE[N] 信号能够输出高低电平，DEG[M] 只用作吸收电流使用。对CH423 发送命令，告知我现在要做动态扫描使用，然后告知SE[N]和DEG[M] 的组合即可。例如：告知SE1 输出高，DIG0 吸收电流和SE7输出高，DIG15吸收电流，之后芯片本身会动态控制，肉眼看起来就是 L00和L7F 点亮【参考2】。
因为都是低速信号，没有太多限制，摆放好 LED后直接使用立创自动布线走的通即可。
焊接后的样子：
编写一个测试代码如下：
#include <Wire.h>
// CH423接口定义
#define CH423_I2C_ADDR1 0x20 // CH423的地址
#define CH423_I2C_MASK 0x3E // CH423的高字节命令掩码
#define CH423_SYSON1 0x0417 //开启自动扫描显示
unsigned char CH423_buf[16]; //定义16个数码管的数据映象缓存区
const unsigned char BCD_decode_tab[ 0x10 ] = { 0X3F, 0X06, 0X5B, 0X4F, 0X66, 0X6D, 0X7D, 0X07, 0X7F, 0X6F, 0X77, 0X7C, 0X58, 0X5E, 0X79, 0X71 };
void CH423_Write( uint32_t cmd ) // 写命令
{
Serial.print("Address ");
Serial.print(( unsigned char )(cmd >> 8), HEX);
Serial.print(" command ");
Serial.print(( unsigned char ) (cmd & 0xff), HEX);
Wire.beginTransmission (( unsigned char )(cmd >> 8));
Wire.write( ( unsigned char ) (cmd & 0xff) ); // 发送数据
// 结束总线
if (Wire.endTransmission() == 0) {
Serial.println(" I2C Success!");
} else {
Serial.println("I2C error!");
}
}
// 向CH423输出数据或者操作命令，自动建立数据映象
void CH423_buf_write( uint32_t cmd )
{
if ( cmd & 0x1000 )
{ // 加载数据的命令,需要备份数据到映象缓冲区
CH423_buf[ (unsigned char)( cmd >> 8 ) & 0x0F ] = (unsigned char)( cmd & 0xFF ); // 备份数据到相应的映象单元
}
CH423_Write( cmd ); // 发出
}
void setup() {
Serial.begin (115200);
Wire.begin (21, 22); // sda= GPIO_21 /scl= GPIO_22.
/* INTENS [00-11]
OD_EN 使能开漏
X_INT 0x08
DEC_H 0x04
DEC_L 0x02
IO_OE 0x01
*/
CH423_buf_write( 0x2417 );
/* OC_L_DAT OC7-OC0 电平控制
*/
CH423_buf_write( 0x2200 );
/* OC_H_DAT OC15-OC8 电平控制
*/
CH423_buf_write( 0x2300 );
// 初始化时保持全灭
uint32_t i;
for (i = 0; i < 16; i++) {
CH423_buf_write(((0x30 + i) << 8) + 0x00);
}
}
// 要显示的字符取模, DFRobot 字样
// 来自 https://www.zhetao.com/fontarray.html
const unsigned char bitmap_bit_bytes[] = {
0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b11111000, 0b11111100, 0b11111100, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b01000100, 0b01000010, 0b01000010, 0b00000000, 0b11000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b01000010, 0b01001000, 0b01000010, 0b00000000, 0b01000000, 0b00000000, 0b00010000,
0b01000010, 0b01001000, 0b01000010, 0b00000000, 0b01000000, 0b00000000, 0b00010000,
0b01000010, 0b01111000, 0b01111100, 0b00111100, 0b01011000, 0b00111100, 0b01111100,
0b01000010, 0b01001000, 0b01001000, 0b01000010, 0b01100100, 0b01000010, 0b00010000,
0b01000010, 0b01001000, 0b01001000, 0b01000010, 0b01000010, 0b01000010, 0b00010000,
0b01000010, 0b01000000, 0b01000100, 0b01000010, 0b01000010, 0b01000010, 0b00010000,
0b01000010, 0b01000000, 0b01000100, 0b01000010, 0b01000010, 0b01000010, 0b00010000,
0b01000100, 0b01000000, 0b01000010, 0b01000010, 0b01100100, 0b01000010, 0b00010010,
0b11111000, 0b11100000, 0b11100011, 0b00111100, 0b01011000, 0b00111100, 0b00001100,
0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000,
};
// 显示一个动画效果
uint16_t buf[8] = {
0b0100000000000000,
0b0010000000000000,
0b0001000000000000,
0b0000100000000000,
0b0000010000000000,
0b0000100000000000,
0b0001000000000000,
0b0010000000000000,
};
void loop() {
uint16_t i, j, m;
char c, v;
while (Serial.available()) {
c = Serial.read();
// 显示卡面定义的字符
if (c == '1') {
for (i = 0; i < 7 ; i++) { //一共有7个字符
for (j = 0; j < 16; j++) { // 每个字符有16个1Byte数据
CH423_buf_write( ((0x30 + j) << 8) + bitmap_bit_bytes[i + j * 7] );
}
delay(500);
}
}
// 随机点亮测试
if (c == '2') {
for (i = 0; i < 16; i++) {
for (j = 0; j < 16; j++) {
CH423_buf_write( ((0x30 + j) << 8) + random(0, 256) );
}
delay(500);
}
}
// 移动的动画效果
if (c == '3') {
for (m = 0; m < 32; m++) {
// 显示 buf 定义的图形
for (i = 0; i < 16; i++)
{
v = 0;
for (j = 0; j < 8; j++) {
if ((buf[j] & (1 << i)) == 0) {
v = v << 1;
}
else {
v = (v << 1) + 1;
}
}
CH423_buf_write( ((0x30 + i) << 8) + v );
}
// 移动 buf 字符
for (i = 0; i < 8; i++) {
if ((buf[i]&1)!=0) {buf[i]=buf[i]|0x8000;}
buf[i]=buf[i]>>1;
}
delay(100);
}
}
}
}
根据串口输入，进行不同的测试：
- 输入1 会逐个显示 DFRobot 字样
- 输入2会随机点亮
- 输入3会显示一个方向的简单动画效果。
参考：
- http://www.wch.cn/products/CH423.html
- 这部分在DataSheet有描述 “8.2. 动态显示驱动 CH423 的动态显示驱动方式用于驱动 128 只 LED 或者 16 只共阴数码管，由 IO7～IO0 引脚分别驱动共阴数码管的各个段引脚（各数码管并联），由 OC15～OC0 引脚分别驱动各个共阴数码管的公共端。单片机在加载完所有字数据后，开启 DEC_L 和 DEC_H 控制位由 CH423 自动地进行分时动态显示扫描。如果只需要驱动 8 只数码管，那么可以只开启 DEC_L 或者 DEC_H 其中的一个控制位，剩余的另CH423 中文手册”
工作的测试视频
