Arduino UNO R4 WiFi 是 Arduino 經典微控制器系列的最新成員。除了強大的 Renesas RA4M1 微控制器外，這款新開發板還配備了 12 x 8 的 LED 顯示矩陣。或許您已經看過 LED 矩陣上顯示的標誌性心形符號。這是每個 Arduino UNO R4 WiFi 的預設程序，如圖 1 所示。
Arduino UNO R4 WiFi 的操作文件詳盡，並提供使用者友善的 API。然而，我們有機會從硬體層面探索 LED 顯示矩陣背後的工作原理。這是一個深入了解微控制器 I/O 和多路復用技術的絕佳機會。
如何用 11 條控制線控制 96 個 LED？
答案很簡單，可以使用一種名為 Charlieplexing 的技術，據說以其發明者 Charles Allen 的名字命名。此技術依賴於微控制器輸出引腳的三態特性。每個引腳可以配置為：
- 輸出：邏輯低
- 輸出：邏輯高
- 輸入：高阻抗
圖 2 中透過一系列開關演示了此操作。例如，微控制器的三態開關（例如 TRI_0）決定相應引腳是輸入還是輸出。當開關斷開時，每個微控制器的 I/O 引腳懸空（高阻抗），允許外部電路確定電壓。當開關閉合時，ROW_0 驅動器決定引腳的輸出電壓。點擊此超鏈結，查看基於圖 2 的交互式 MultisimLive 仿真。作為挑戰，請嘗試按順序啟動 LED1 至 LED6。
關於圖 2，我們看到 LED1 被啟動。當 ROW_0 拉電流，ROW_1 灌電流時，就會發生這種情況。我們可以透過同時切換 ROW_0 和 ROW_1 的邏輯來啟動 LED2。完成後，ROW_1 將拉動電流，ROW_0 將吸電流。
請注意，ROW_2 配置為高阻抗輸入。這一點很重要，因為它可以防止多個 LED 同時啟動。例如，如圖 2 所示，如果 TRI_2 被啟動：
- ROW_2 高電平：LED1 和 LED6 同時激活
- ROW_2 低電平：LED1 和 LED3 同時激活
技術提示：對於電子學新手來說，「 拉電流 (Source Current)」和「 灌電流 (Sink Current)」這兩個術語可能會令人困惑。這是一個參考系問題，部分原因在於物理學史。它始於18世紀50年代本傑明·富蘭克林 (Benjamin Franklin) 的實驗，他提出了電流從電源正極流向負極的理論。近150年後，J.J. 湯姆森 (J.J. Thomson) 於1897年發現了電子。從那時起，我們一直用富蘭克林的傳統流動（正極流向負極）和電子流動（負極流向正極）來思考電學。
您可能會認為這是一個已經解決的問題。然而，即使在今天，您也可以選擇採用其中一種約定俗成的教科書。仔細觀察就會發現，所有電流向量都被反轉了，所有右手定則都被左手定則取代，反之亦然。
再次強調，「拉電流」和「灌電流」這兩個術語取決於您的參考系。為了清晰起見，我們將遵循傳統流動，即正極電源端「拉」電流，負極電源端「灌」電流。在圖 2 中，5 VDC 是電源，地是接收器。
Arduino 程式碼範例
我們可以使用 Arduino 程式碼來更好地理解圖 2 的操作。為方便起見，假設 LED 矩陣連接到分別對應 ROW_0、ROW_1 和 ROW_2 的 D0、D1 和 D2 接腳。如程式碼所示，LED1 在以下情況下啟動：
pinMode(D0, OUTPUT); // Tri state configuration
pinMode(D1, OUTPUT);
pinMode(D2, INPUT);
digitalWrite(D0, HIGH); // Logic assertion when the Tri state buffer is active
digitalWrite(D1, LOW);
再舉一個例子，假設我們希望啟動 LED5：
pinMode(D0, INPUT);
pinMode(D1, OUTPUT);
pinMode(D2, OUTPUT);
digitalWrite(D1, HIGH);
digitalWrite(D2, LOW);
多工技術 Multiplexing
到目前為止，我們關注的是單一 LED 的控制。實際上，我們期望同時點亮多個 LED。例如，假設我們希望同時啟動 LED1 和 LED5。根據圖 2 的原理圖，這無法直接實現。如果 LED1 亮起，仔細檢查圖 2 會發現，其他可能的 LED 僅有 LED3 或 LED6。事實上，如果我們仔細研究所有 8 種可能性，就會發現在任何給定的開關狀態下，只有 2 個 LED 可以同時點亮。
解決方案是多工 LED。
使用這種多工技術，在任何給定時間只有一個 LED 處於活動狀態。我們快速切換 LED，每個 LED 都會短暫亮起。例如，要啟動 LED1 和 LED5，我們可以交替使用上一節中的程式碼片段。如果循環序列以高於約 30Hz 的頻率完成，人眼就能觀察到兩個 LED 同時亮起。這種視覺暫留（閃爍融合）會讓人產生LED同時亮起的錯覺。
這種技術的一個顯著問題是 LED 亮度。回想一下，多工是一個時分過程，每個 LED 都被分配一個時隙。在我們的雙 LED 問題中，每個 LED 的亮時間為 50%。而圖2 所示的六 LED 問題，每個 LED 的亮時間為 16%。因此，亮時間為 50% 的 LED 會比亮時間為 16% 的 LED 更亮。請參閱本文，深入了解 LED 多工技術，並分析其亮度、時間和脈衝電流。
Arduino UNO R4 上的 Charlieplexing
粗略查看 Arduino UNO R4 WiFi 數據手冊，我們發現 LED 顯示矩陣由 11 個微控制器 I/O 引腳驅動。數據手冊還展示了一個互補 LED 矩陣，其中每對 LED 都配置為陽極對陰極和陰極對陽極。圖 3 中包含了一小部分原理圖。請注意，這與圖 2 的範例幾乎完全相同。 Charlieplexing 的運作方式與上一節中所描述的相同。
如何提高 Arduino UNO R4 WiFi 顯示器的亮度？
簡單來說，LED 亮度受 Charlieplex 方法的限制，而 Charlieplex 方法又受微控制器電流有限的 I/O 接腳的限制。我們還必須考慮修改易於使用的 LED 矩陣庫所帶來的開銷。
顯示幕已經達到了預期亮度。
但是，您可以添加紅色透鏡來增加表觀亮度。例如，紅色半透明的 Hammond 1591STRD 既可以用作外殼，也可以用作透鏡。您可以在影片 1 中查看效果。
影片 1：Hammond 1591STRD 外殼用作 Arduino UNO R4 紅色鏡頭的視頻
Charlieplex 方法有哪些限制？
為了更好地理解 Arduino UNO R4 的局限性，我們需要考慮 Charlieplex 方法的限制。
-
回想一下，Charlieplexing 是一種用於控制多個 LED 的經濟高效的方法。驅動電源直接來自微控制器，無需借助行和列驅動器。因此，亮度（LED 電流）與微控制器驅動引腳的「強度」直接相關。這是一個硬性的物理限制，如果不從根本上改變顯示硬件，就無法改變。
-
單一 LED 的亮度由開啟時間（佔空比）決定。 12 x 8 的顯示器上有 96 個 LED，每個 LED 的開啟時間約為 1%。每個 LED 必須輪流發光，但只能持續片刻。這是另一個無法改變的物理限制。如果我們希望整個顯示器的亮度保持一致，這一點尤其重要。例如，如果只有兩個像素處於活動狀態，我們可以將時間分配給它們。但是，隨著更多 LED 被激活，顯示器的亮度會降低。
總結來說，提高亮度的唯一方法是重新設計硬髒，添加行和列驅動器，或降低預期並減少陣列中的 LED 數量。雖然這不是一個線性過程，但一般來說，將 LED 總數減半會使感知亮度翻倍，因為現在每個 LED 的活化時間可能會加倍。
技術提示：對於像 Renesas R7FA4M1AB3CFM#AA0 這樣的複雜微控制器，單一接腳電流並非單一規格。不過，一般來說，RA4M1 可以處理每個引腳 8mA 的電流，所有引腳合計電流限制為 60mA。請查閱資料手冊，因為其中還有許多其他注意事項和規定。
如何直接從 Arduino UNO R4 LED 矩陣存取 LED？
通常情況下，您會使用 Arduino 庫來控制 LED 顯示器。但是，由於我們已經深入研究了相關知識，因此我們可以使用 Renesas Flexible Software Package (FSP) 存取單一 RA4M1 特殊功能暫存器 (SFR)。這項技術在未來的實驗中可能非常有用，尤其是當我們需要直接連接埠存取所需的速度時。
技術提示：Renesas Flexible Software Package (FSP) 是硬體抽象層 (HAL)。它在許多方面與 Arduino 語言類似，因為它們都旨在隱藏/簡化底層硬體，從而提高程式碼的可移植性。
您可能有興趣知道，Arduino UNO R4 Minima 和 WiFi 的實作是基於 Renesas FSP 基礎構建的。
仔細查看 Arduino UNO R4 WiFi 原理圖，可以發現：
- ROW_0 對應 P205（連接埠 2 腳位 5）
- ROW_1 對應 P012（連接埠 0 腳位 12）
- ROW_2 對應 P013（連接埠 0 腳位 13）
例如，要點亮 LED 1，我們可以使用以下這段程式碼:
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_0, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_1, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_2, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
// Assume all other row drivers are inputs (high impedance)
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_0, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_1, BSP_IO_LEVEL_LOW);
要開啟 LED5，我們可以使用以下這段程式碼：
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_0, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_1, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_2, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_1, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_2, BSP_IO_LEVEL_LOW);
然後我們可以使用以下程式碼在 LED0 和 LED5 之間進行多工：
#define ROW_0 BSP_IO_PORT_02_PIN_05
#define ROW_1 BSP_IO_PORT_00_PIN_12
#define ROW_2 BSP_IO_PORT_00_PIN_13
void setup() {
;
}
void loop() {
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_0, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_1, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_2, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_0, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_1, BSP_IO_LEVEL_LOW);
delay(20);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_0, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_1, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinCfg(NULL, ROW_2, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_1, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, ROW_2, BSP_IO_LEVEL_LOW);
delay(20);
}
程式碼運作時，LED 會閃爍。當延遲減少到 10ms 左右時，閃爍現象就會消失。
結論
Arduino UNO R4 WiFi 包含一個 12 x 8 的 LED 顯示矩陣，用「趣味」來形容再適合不過了！ Arduino 一如既往地提供了一個易於使用的庫，讓您可以在幾分鐘內配置和使用顯示器。
就個人而言，非常欣賞 UNO R4 WiFi 的硬體設計，因為它提供了一個學習 Charlieplexing 技術的機會。這款硬體應用程式提供了一個了解微控制器三態輸出、多工技術以及 Renesas FSP 等工具的視窗。這些功能共同作用，有助於加深對 LED 電流和脈衝操作的理解。
歡迎您在下方留言提問和評論。
最後，如果您學到了什麼，請按讚。
實用超鏈結
請點擊以下超鏈結以取得相關實用資訊：