چارلی‌پلکسینگ | کنترل یک ماتریس LED با آردوینو

آردوینو – آموزش

13 بازدید

۱۴۰۴-۱۰-۰۳

6 دقیقه

نویسنده: Arduino captain
درباره نویسنده: من کاپیتان آردوینو، اسمم میلاده و اینجا هستم تا تجربیاتم در رابطه با آردوینو رو با شما به اشتراک بزارم!

در قسمت 43 از آموزش آردوینو به روشن کردن چند LED به صورت پشت‌سرهم، کنترل ماتریس LED با استفاده از مالتی‌پلکسینگ و نمایش تصاویر روی ماتریس LED صحبت کردیم. در این قسمت قصد داریم کنترل یک ماتریس LED: چارلی‌پلکسینگ (Charlieplexing) صحبت کنیم.

کنترل یک ماتریس LED: چارلی‌پلکسینگ (Charlieplexing)

فرض کنید شما یک ماتریس LED در اختیار دارید و می‌خواهید تعداد پایه‌های لازم برای روشن و خاموش کردن هر یک از آن‌ها را به حداقل برسانید. چارلی‌پلکسینگ (Charlieplexing) نوع ویژه‌ای از مالتی‌پلکسینگ است که تعداد LEDهایی را که می‌توان با یک مجموعه پایه محدود کنترل کرد، افزایش می‌دهد. این اسکچ با استفاده از تنها سه پایه، شش LED را به‌صورت ترتیبی روشن می‌کند.

شکل زیر نحوه‌ی اتصالات را نشان می‌دهد: (برای محاسبه‌ی مقدار مناسب مقاومت در اتصال LEDها، به قسمت های قبلی مراجعه کنید)

*/
* Charlieplexing sketch
* light six LEDs in sequence that are connected to pins 2, 3, and 4
/*
int pins[] = {2,3,4}; // the pins that are connected to LEDs
// the next two lines calculate the number of pins and LEDs from the above array
const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);
const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);
byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} }; // maps pins to LEDs
void setup()
{
// nothing needed here
}
void loop(){
for(int i=0; i < NUMBER_OF_LEDS; i++)
{
lightLed(i); // light each LED in turn
delay(1000);
}
}
// this function lights the given LED, the first LED is 0
void lightLed(int led)
{
// the following four lines convert LED number to pin numbers
int indexA = pairs[led/2][0];
int indexB = pairs[led/2][1];
int pinA = pins[indexA];
int pinB = pins[indexB];
// turn off all pins not connected to the given LED
for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)
{
if(pins[i] != pinA && pins[i] != pinB)
{ // if this pin is not one of our pins
pinMode(pins[i], INPUT); // set the mode to input
digitalWrite(pins[i],LOW); // make sure pull-up is off
}
}
// now turn on the pins for the given LED
pinMode(pinA, OUTPUT);
pinMode(pinB, OUTPUT);
if( led % 2 == 0)
{
digitalWrite(pinA,LOW);
digitalWrite(pinB,HIGH);
}
else
{
digitalWrite(pinB,LOW);
digitalWrite(pinA,HIGH);
}
}

* Charlieplexing sketch

* light six LEDs in sequence that are connected to pins 2, 3, and 4

int pins[] = {2,3,4}; // the pins that are connected to LEDs

// the next two lines calculate the number of pins and LEDs from the above array

const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);

const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);

byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} }; // maps pins to LEDs

void setup()

{

// nothing needed here

}

void loop(){

for(int i=0; i < NUMBER_OF_LEDS; i++)

{

lightLed(i); // light each LED in turn

delay(1000);

}

// this function lights the given LED, the first LED is 0

void lightLed(int led)

{

// the following four lines convert LED number to pin numbers

int indexA = pairs[led/2][0];

int indexB = pairs[led/2][1];

int pinA = pins[indexA];

int pinB = pins[indexB];

// turn off all pins not connected to the given LED

for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)

{

if(pins[i] != pinA && pins[i] != pinB)

{ // if this pin is not one of our pins

pinMode(pins[i], INPUT); // set the mode to input

digitalWrite(pins[i],LOW); // make sure pull-up is off

}

// now turn on the pins for the given LED

pinMode(pinA, OUTPUT);

pinMode(pinB, OUTPUT);

if( led % 2 == 0)

{

digitalWrite(pinA,LOW);

digitalWrite(pinB,HIGH);

}

else

{

digitalWrite(pinB,LOW);

digitalWrite(pinA,HIGH);

}

شش LED که با استفاده از سه پایه و به روش چارلی‌پلکسینگ (Charlieplexing) راه‌اندازی شده‌اند

اصطلاح چارلی‌پلکسینگ (Charlieplexing) از نام چارلی آلن از شرکت Microchip Technology, Inc. گرفته شده است که این روش را معرفی کرد. این تکنیک بر این اصل استوار است که LEDها فقط زمانی روشن می‌شوند که «در جهت درست» به مدار متصل شوند (یعنی آند نسبت به کاتد پتانسیل مثبت‌تری داشته باشد).

در ادامه، جدولی نشان داده شده است که مشخص می‌کند برای ترکیب‌های معتبر وضعیت سه پایه، کدام LED روشن می‌شود. در این جدول:

L به معنی LOW
H به معنی HIGH
I به معنی حالت INPUT

قرار دادن یک پایه در حالت INPUT عملاً آن را از مدار جدا می‌کند.

چارلی‌پلکسینگ | کنترل یک ماتریس LED با آردوینو

می‌توانید با استفاده از فقط یک پایه‌ی دیگر، تعداد LED‌ها را به ۱۲ عدد افزایش دهید. شش LED اول به همان روشی که در مثال قبلی توضیح داده شد متصل شده‌اند؛ شش LED اضافه را به‌گونه‌ای اضافه کنید که اتصالات مشابه شکل زیر باشد.

استفاده از چارلی‌پلکسینگ با چهار پایه برای راه‌اندازی دوازده LED

کد قبلی را با اضافه کردن پایه‌ی اضافی به آرایه‌ی پایه‌ها اصلاح کنید.

شاید برای شما مفید باشد:

آموزش طراحی شماتیک سلسله‌مراتبی در KiCad

byte pins[] = {2,3,4,5}; // the pins that are connected to LEDs

1	byte pins[] = {2,3,4,5}; // the pins that are connected to LEDs

ورودی‌های اضافی را به آرایه‌ی pairs اضافه کنید تا بصورت زیر خوانده شود:

byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {0,1}, {1,2}, {0,2}, {2,3}, {1,3}, {0,3} };

1	byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {0,1}, {1,2}, {0,2}, {2,3}, {1,3}, {0,3} };

سایر قسمت‌ها می‌توانند بدون تغییر باقی بمانند، بنابراین حلقه همه‌ی دوازده LED را پشت‌سرهم روشن می‌کند، زیرا کد تعداد LEDها را از تعداد ورودی‌های موجود در آرایه‌ی پایه‌ها تعیین می‌کند. ازآنجاکه چارلی‌پلکسینگ با کنترل پایه‌های آردوینو به‌گونه‌ای عمل می‌کند که تنها یک LED در هر لحظه روشن باشد، ایجاد این تصور که چند LED هم‌زمان روشن می‌شوند، کمی پیچیده‌تر است. اما می‌توان با استفاده از تکنیک مالتی‌پلکسینگ که برای چارلی‌پلکسینگ اصلاح شده است، چند LED را هم‌زمان روشن کرد.

این برنامه یک نمودار میله‌ای (bar graph) ایجاد می‌کند و با توجه به مقدار یک سنسور متصل به پایه آنالوگ ۰، توالی LEDها را روشن می‌کند.

byte pins[] = {2,3,4};
const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);
const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);
byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} }; // maps pins to LEDs
int ledStates = 0; //holds states for up to 15 LEDs
int refreshedLed; // the LED that gets refreshed
void setup()
{
// nothing here
}
void loop()
{
const int analogInPin = 0; // Analog input pin connected to the variable resistor
// here is the code from the bargraph recipe
int sensorValue = analogRead(analogInPin); // read the analog in value
// map to the number of LEDs
int ledLevel = map(sensorValue, 0, 1023, 0, NUMBER_OF_LEDS);
for (int led = 0; led < NUMBER_OF_LEDS; led++)
{
if (led < ledLevel ) {
setState(led, HIGH); // turn on pins less than the level
}
else {
setState(led, LOW); // turn off pins higher than the level
}
}
ledRefresh();
}
void setState( int led, bool state)
{
bitWrite(ledStates,led, state);
}
void ledRefresh()
{
// refresh a different LED each time this is called.
if( refreshedLed++ > NUMBER_OF_LEDS) // increment to the next LED
refreshedLed = 0; // repeat from the first LED if all have been refreshed
if( bitRead(ledStates, refreshedLed ) == HIGH)
lightLed( refreshedLed );
else
if(refreshedLed == 0) // Turn them all off if pin 0 is off
for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)
digitalWrite(pins[i],LOW);
}
// this function is identical to the one from the sketch in the Solution
// it lights the given LED, the first LED is 0
void lightLed(int led)
{
// the following four lines convert LED number to pin numbers
int indexA = pairs[led/2][0];
int indexB = pairs[led/2][1];
int pinA = pins[indexA];
int pinB = pins[indexB];
// turn off all pins not connected to the given LED
for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)
{
if(pins[i] != pinA && pins[i] != pinB)
{ // if this pin is not one of our pins
pinMode(pins[i], INPUT); // set the mode to input
digitalWrite(pins[i],LOW); // make sure pull-up is off
}
}
// now turn on the pins for the given LED
pinMode(pinA, OUTPUT);
pinMode(pinB, OUTPUT);
if( led % 2 == 0)
{
digitalWrite(pinA,LOW);
digitalWrite(pinB,HIGH);
}
else
{
digitalWrite(pinB,LOW);
digitalWrite(pinA,HIGH);
}
}

byte pins[] = {2,3,4};

const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);

const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);

byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} }; // maps pins to LEDs

int ledStates = 0; //holds states for up to 15 LEDs

int refreshedLed; // the LED that gets refreshed

void setup()

{

// nothing here

}

void loop()

{

const int analogInPin = 0; // Analog input pin connected to the variable resistor

// here is the code from the bargraph recipe

int sensorValue = analogRead(analogInPin); // read the analog in value

// map to the number of LEDs

int ledLevel = map(sensorValue, 0, 1023, 0, NUMBER_OF_LEDS);

for (int led = 0; led < NUMBER_OF_LEDS; led++)

{

if (led < ledLevel ) {

setState(led, HIGH); // turn on pins less than the level

}

else {

setState(led, LOW); // turn off pins higher than the level

}

ledRefresh();

}

void setState( int led, bool state)

{

bitWrite(ledStates,led, state);

}

void ledRefresh()

{

// refresh a different LED each time this is called.

if( refreshedLed++ > NUMBER_OF_LEDS) // increment to the next LED

refreshedLed = 0; // repeat from the first LED if all have been refreshed

if( bitRead(ledStates, refreshedLed ) == HIGH)

lightLed( refreshedLed );

else

if(refreshedLed == 0) // Turn them all off if pin 0 is off

for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)

digitalWrite(pins[i],LOW);

}

// this function is identical to the one from the sketch in the Solution

// it lights the given LED, the first LED is 0

void lightLed(int led)

{

// the following four lines convert LED number to pin numbers

int indexA = pairs[led/2][0];

int indexB = pairs[led/2][1];

int pinA = pins[indexA];

int pinB = pins[indexB];

// turn off all pins not connected to the given LED

for(int i=0; i < NUMBER_OF_PINS; i++)

{

if(pins[i] != pinA && pins[i] != pinB)

{ // if this pin is not one of our pins

pinMode(pins[i], INPUT); // set the mode to input

digitalWrite(pins[i],LOW); // make sure pull-up is off

}

// now turn on the pins for the given LED

pinMode(pinA, OUTPUT);

pinMode(pinB, OUTPUT);

if( led % 2 == 0)

{

digitalWrite(pinA,LOW);

digitalWrite(pinB,HIGH);

}

else

{

digitalWrite(pinB,LOW);

digitalWrite(pinA,HIGH);

}

شاید برای شما مفید باشد:

()analogReadResolution در آردوینو

این برنامه از مقادیر بیت‌ها در متغیر ledStates برای نشان دادن وضعیت LEDها استفاده می‌کند (۰ به معنای خاموش و ۱ به معنای روشن). تابع refresh هر بیت را بررسی می‌کند و LEDهای مربوط به بیت‌هایی که برابر با ۱ هستند را روشن می‌کند. تابع refresh باید به‌سرعت و به‌صورت مکرر فراخوانی شود، در غیر این صورت LEDها به‌صورت چشمک‌زن دیده می‌شوند.

✅نکته

اضافه کردن تأخیرها در کد می‌تواند با اثر ماندگاری دید (persistence of vision) تداخل ایجاد کند که همان توهمی است که چشمک زدن LEDها را پنهان می‌کند. شما می‌توانید از یک وقفه (interrupt) استفاده کنید تا تابع refresh در پس‌زمینه اجرا شود (بدون نیاز به فراخوانی صریح آن در حلقه‌ی loop). وقفه‌های تایمر در قسمت‌های بعدی توضیح داده شده‌اند، اما در اینجا یک پیش‌نمایش از یک روش برای استفاده از وقفه به منظور به‌روزرسانی LEDها آورده شده است. این روش از یک کتابخانه‌ی شخص ثالث به نام FrequencyTimer2 استفاده می‌کند که از طریق Library Manager در دسترس است تا وقفه ایجاد کند.

#include <FrequencyTimer2.h> // include this library to handle the refresh
byte pins[] = {2,3,4};
const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);
const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);
byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} };
int ledStates = 0; //holds states for up to 15 LEDs
int refreshedLed; // the LED that gets refreshed
void setup()
{
FrequencyTimer2::setPeriod(20000/NUMBER_OF_LEDS); // set the period
// the next line tells FrequencyTimer2 the function to call (ledRefresh)
FrequencyTimer2::setOnOverflow(ledRefresh);
FrequencyTimer2::enable();
}
void loop()
{
const int analogInPin = 0; // Analog input pin connected to the variable resistor
// here is the code from the bargraph recipe
int sensorValue = analogRead(analogInPin); // read the analog in value
// map to the number of LEDs
int ledLevel = map(sensorValue, 0, 1023, 0, NUMBER_OF_LEDS);
for (int led = 0; led < NUMBER_OF_LEDS; led++)
{
if (led < ledLevel ) {
setState(led, HIGH); // turn on pins less than the level
}
else {
setState(led, LOW); // turn off pins higher than the level
}
}
// the LED is no longer refreshed in loop, it's handled by FrequencyTimer2
}
// the remaining code is the same as the previous example

#include <FrequencyTimer2.h> // include this library to handle the refresh

byte pins[] = {2,3,4};

const int NUMBER_OF_PINS = sizeof(pins)/ sizeof(pins[0]);

const int NUMBER_OF_LEDS = NUMBER_OF_PINS * (NUMBER_OF_PINS-1);

byte pairs[NUMBER_OF_LEDS/2][2] = { {2,1}, {1,0}, {2,0} };

int ledStates = 0; //holds states for up to 15 LEDs

int refreshedLed; // the LED that gets refreshed

void setup()

{

FrequencyTimer2::setPeriod(20000/NUMBER_OF_LEDS); // set the period

// the next line tells FrequencyTimer2 the function to call (ledRefresh)

FrequencyTimer2::setOnOverflow(ledRefresh);

FrequencyTimer2::enable();

}

void loop()

{

const int analogInPin = 0; // Analog input pin connected to the variable resistor

// here is the code from the bargraph recipe

int sensorValue = analogRead(analogInPin); // read the analog in value

// map to the number of LEDs

int ledLevel = map(sensorValue, 0, 1023, 0, NUMBER_OF_LEDS);

for (int led = 0; led < NUMBER_OF_LEDS; led++)

{

if (led < ledLevel ) {

setState(led, HIGH); // turn on pins less than the level

}

else {

setState(led, LOW); // turn off pins higher than the level

}

// the LED is no longer refreshed in loop, it's handled by FrequencyTimer2

}

// the remaining code is the same as the previous example

کتابخانه‌ی FrequencyTimer2 دوره‌ی زمانی را روی ۱۶۶۶ میکروثانیه تنظیم کرده است (۲۰ میلی‌ثانیه تقسیم بر ۱۲ که تعداد LEDهاست). روش FrequencyTimer2.setOnOverflow تابعی را مشخص می‌کند که هر بار که تایمر «فعال» می‌شود فراخوانی شود (در اینجا تابع ledRefresh). کتابخانه‌ی FrequencyTimer2 با تعداد محدودی از بردها سازگار است: Arduino Uno (و احتمالاً اکثر بردهای سازگار با ATmega328)، Arduino Mega و چند مدل Teensy. برای اطلاعات بیشتر در مورد این کتابخانه، می‌توانید به صفحه‌ی PJRC مراجعه کنید.