Charlieplexing i wyświetlacze z LED

[deshipu 546]

Zastanawialiście się kiedyś jak robi się wyświetlacze z diod LED, takie jak na przykład na micro:bit albo na niektórych badge-ach? Najbardziej naiwny sposób, to znaczy podłączenie każdej diody do osobnej nóżki mikrokontrolera szybko wyczerpałby nasze zasoby — nawet przy wyświetlaczu 5×5 byłoby to przecież 25 nóżek! Możemy wykorzystać fakt, że diody nie muszą się świecić cały czas aby patrzącemu człowiekowi wydawało się, że są jasne — podzielimy wówczas nasz wyświetlacz na rzędy i kolumny i będziemy wyświetlać po jednym rzędzie na raz, przełączając się bardzo szybko — to daje nam 5+5=10 nóżek — znacznie lepiej. A co, gdybym Wam powiedział, że da się zrobić wyświetlacz 5x6 na 6 nóżkach?

Sztuczka ta nazywa się "charlieplexing", od imienia wynalazcy, Charliego Allena i opiera się na wykorzystaniu faktu, że nóżki mikroprocesorów mogą przyjmować trzy stany: plus, minus i neutralny, albo jak to elektronicy nazywają HIGH, LOW i HIGH-IMPEDANCE. Skąd ten ostatni stan? Otóż gdy przełączymy nóżkę w tryb wejścia, zamiast wyjścia, to nie ma na niej ani napięcia dodatniego, ani ujemnego — można ją w praktyce traktować tak, jakby była odłączona. Drugą częścią sztuczki jest fakt, że diody świecące są diodami, więc świecą tylko wtedy, gdy prąd płynie przez nie w odpowiednim kierunku — plus do anody, a minus do katody. Gdy podłączymy je odwrotnie to praktycznie nie przewodzą prawie żadnego prądu. Możemy zatem połączyć dwie diody świecące w ten sposób:

Wówczas w zależności od tego na której nóżce podamy plus, a na której minus, zapali się albo jedna dioda, albo druga. Oczywiście do diod potrzebujemy też rezystory. Narysujmy też ten schemat troszkę inaczej, aby pasował do późniejszego wzorca:

No dobra, ale to nam nie oszczędza żadnych nóżek. Dwiema nóżkami możemy zapalać dwie diody niezależnie i nawet będzie wtedy lepiej, bo będziemy mogli zapalić obie na raz. Ale zobaczmy co się dzieje jak dodamy jeszcze jedną nóżkę:

Sześć diod! Po prostu pomiędzy każdą parą nóżek daliśmy po dwie diody. W ten sposób możemy zapalić dowolną z nich wybierając jedną nóżkę dla plusa, jedną dla minusa, a jedną pozostawiając w stanie wysokiej impedancji. No ale znowu nie mamy rezystorów, poza tym takie ustawienie diod nie wygląda jak prostokątny ekran. Poprzesuwajmy więc je trochę, żeby łatwiej nam było potem z tego zrobić wyświetlacz:

Zaczyna nam się pomału wyłaniać pewien wzorzec. Dodajmy jeszcze jedną nóżkę:

Teraz już wyraźnie widać, że mamy poziome połączenia dla katod diod, pionowe dla anod, a na przekątnej łączymy jedne z drugimi przez opornik tak, alby każda zapalona dioda miała w swoim obwodzie dokładnie jeden (bo każda świecąca się dioda musi przecież dostawać prąd na swoją anodę i na swoją katodę). Dodajmy jeszcze jedną nóżkę:

Widzimy, że wzorzec się nie zmienia — za każdym razem dodajemy jeden wiersz i jedną kolumnę, z opornikiem na przekątnej. Ale w jaki sposób możemy zgadnąć które diody się zapalą przy konkretnym układzie nóżek? To proste: najpierw wybieramy który wiersz chcemy wyświetlać i ustawiamy minus na odpowiadającej mu nóżce. Następnie decydujemy w których kolumnach mają się świecić diody i odpowiadające im nóżki ustawiamy na plus. Pozostałe nóżki pozostawiamy w trybie wysokiej impedancji. Teraz już jest oczywiste czemu na przekątnej nie ma diod — przecież nie da się na tej samej nóżce ustawić plus i minus jednocześnie! Poniższy przykład pokazuje jak zapalić diody w pierwszej i czwartej kolumnie trzeciego wiersza:

Wszystko świetnie, ale przecież nie chcemy, żeby nasz ekran miał ukośną krechę przez sam środek! Co możemy z tym zrobić? Najłatwiej jest po prostu przesunąć trochę jedną połowę wyświetlacza tak, aby diody tworzyły prostokąt:

Jak widać, przesunięcie może być poziome lub pionowe. Oczywiście musimy wówczas także poprawić nasz kod, aby sprawdzał czy dany piksel znajduje się pod czy ponad przekątną i odpowiednio zmienić jego współrzędne, ale nie jest to bardzo trudne — sprawdzamy tylko, czy jego współrzędna x jest większa od y i zwiększamy jedną z nich.

Ta technika pozwala nam tworzyć wyświetlacze o wymiarach n×n-1 (bo mamy n×n i usuwamy z niego przekątną, czyli n pikseli) i sterować nimi przy pomocy n nóżek. Oczywiście inne kształty także są możliwe, ale schemat połączeń znacznie się wówczas komplikuje, nie wspominając już o adresacji. Przy podstawowym kształcie, wykonanie płytki drukowanej dla naszego wyświetlacza jest proste jeśli tylko mamy dwie warstwy i do każdej diody jest via — po prostu poziome połączenia są na jednej warstwie, a pionowe na drugiej. Sprawę mogą skomplikować nieco oporniki, które najłatwiej po prostu jest umieścić na spodniej stronie — ale da się je także wyprowadzić z boku płytki, wszystkie w jednym miejscu, co ma dużą zaletę jeśli używamy mostków zawierających po kilka oporników w jednym opakowaniu.

Jeszcze przykładowa płytka, którą kiedyś zrobiłem, akurat bez oporników:

Edytowano 6 stycznia przez deshipu

[Treker 971]

@deshipu, dziękuję za kolejny ciekawy wpis! Akurat miałem w głowie jeden projekt związany z tym tematem, to będę miał gdzie odsyłać osoby początkujące  Zarz podlinkuję też artykuł na naszym Facebooku - zawsze więcej osób przeczyta.