代码收藏家技术教程 2023-08-18

单片机中通用LED驱动原理及应用详解

前言

项目中需要用到很多的LED灯，存在不同的闪烁方式，比如单闪，双闪，快闪，慢闪等等，我需要一个有如下特性的LED驱动

方便的增加不同闪烁模式

可以切换闪烁模式

增加LED数目不会有太多的改动

方便移植，要有良好的硬件对接接口

好，那就开整吧。
PS：本文中的程序源码只做演示，可运行的代码文末有链接

数据结构分析

首先考虑一颗LED的相关数据结构。
显然构建LED结构体应该有on，off接口，如下

typedef struct{
	void (*init)(void);	//初始化ED
	void (*on)(void);	//打开LED
	void (*off)(void);	//关闭LED
}led_t;

LED闪烁是亮灭的交替，我们可以关注其中的两个参数，

LED亮起时长，标记为ontime

LED闪烁周期，标记为cycle

将这两个参数抽象为led_mode_t结构体

typedef struct {
	uint16_t cycle;		//LED闪烁周期
	uint16_t ontime;	//LED亮起的时长
}led_mode_t;

一颗LED可能会有很多闪烁模式，不同LED闪烁模式数量不同，所以当我们将led_mode_t集成到led_t的时候，应该采用指针形式，在运行的时候申请该结构的内存。由此，丰富led_t结构体如下

typedef struct{
	void (*init)(void);	//初始化ED
	void (*on)(void);	//打开LED
	void (*off)(void);	//关闭LED
	led_mode_t *mode;		//LED闪烁模式具体的数据
	uint8_t mode_count;		//LED闪烁模式个数
	uint8_t mode_current;	//当前闪烁模式编码
}led_t;

OK，LED结构体初步搭建完毕，接下来假设我们有4颗LED，每一颗闪烁的时间参数如下

快闪：200ms亮起，200ms熄灭，周期400ms

慢闪：500ms亮起，500ms熄灭，周期1000ms

单闪：100ms亮起，900ms熄灭，周期1000ms

双闪：30ms亮起， 70ms熄灭，30ms亮起， 870ms熄灭，周期1000ms

前三个都好说，最后一个需要简单分析一下。双闪可以看作两种闪烁模式的切换。第一种30ms亮起， 70ms熄灭，周期100ms。第二种30ms亮起， 870ms熄灭，周期900ms。

程序框架搭建

所以，初始化该情况下的代码如下

typedef struct {
	uint16_t cycle;		//LED闪烁周期
	uint16_t ontime;	//LED亮起的时长
}led_mode_t;

typedef struct{
	void (*init)(void);	//初始化ED
	void (*on)(void);	//打开LED
	void (*off)(void);	//关闭LED
	led_mode_t *mode;		//LED闪烁模式具体的数据
	uint8_t mode_count;		//LED闪烁模式个数
	uint8_t mode_current;	//当前闪烁模式编码
}led_t;

led_t led_array[4];

void led0_init(void){}
void led1_init(void){}
void led2_init(void){}
void led3_init(void){}
void led0_on(void){}
void led1_on(void){}
void led2_on(void){}
void led3_on(void){}
void led0_off(void){}
void led1_off(void){}
void led2_off(void){}
void led3_off(void){}

void bsp_led_init(void)
{
	//初始化函数指针
	led_array[0].on = led0_on;
	led_array[0].off = led0_off;
	led_array[0].init = led0_init;
	led_array[0].mode_count = 1;
	
	led_array[1].on = led1_on;
	led_array[1].off = led1_off;
	led_array[1].init = led1_init;
	led_array[1].mode_count = 1;	

	led_array[2].on = led2_on;
	led_array[2].off = led2_off;
	led_array[2].init = led2_init;
	led_array[2].mode_count = 1;

	led_array[3].on = led3_on;
	led_array[3].off = led3_off;
	led_array[3].init = led3_init;
	led_array[3].mode_count = 2;
	
	for(uint8_t i = 0; i < sizeof(led_array)/led_array[0]; i++)
	{
		led_array[i].mode = malloc(sizeof(led_mode_t) * led_array[i].mode_count);
		memset(led_array[i].mode, 0, sizeof(led_mode_t) * led_array[i].mode_count);
	}
	//初始化mode时间参数
	led_array[0].mode[0].ontime = 200;	
	led_array[0].mode[0].cycle 	= 400;
	led_array[1].mode[0].ontime = 500;
	led_array[1].mode[0].cycle 	= 1000;
	led_array[2].mode[0].ontime = 100;
	led_array[2].mode[0].cycle 	= 1000;
	led_array[3].mode[0].ontime = 30;
	led_array[3].mode[0].cycle 	= 100;
	led_array[3].mode[1].ontime = 30;
	led_array[3].mode[1].cycle 	= 900;
}

代码很长，主要长度占用在以下三部分

每一个led都有init，on，off函数

初始化函数指针

初始化mode时间参数

第一部分暂时不做优化，这样会方便我按照顺序说下去吧
第二第三部分，显然程序中有很多重复的代码，我们可以使用可变参数宏来优化

#define INIT_PTR(__index, __onptr, __offptr, __initptr, __modecount)	\
	led_array[__index].on = __onptr;									\
	led_array[__index].off = __offptr;									\
	led_array[__index].init = __initptr;								\
	led_array[__index].mode_count = __modecount;						


#define INIT_MODE(__index, __mode, __ontime, __cycle)	\
	led_array[__index].mode[__mode].ontime = __ontime;	\
	led_array[__index].mode[__mode].cycle 	= __cycle;

使用这两个宏之后，第二第三部分的代码被优化为如下，看起来少了好多

void bsp_led_init(void)
{
	INIT_PTR(0, led0_on, led0_off, led0_init, 1);
	INIT_PTR(1, led1_on, led1_off, led1_init, 1);
	INIT_PTR(2, led2_on, led2_off, led2_init, 1);
	INIT_PTR(3, led3_on, led3_off, led3_init, 2);
	for(uint8_t i = 0; i < sizeof(led_array)/led_array[0]; i++)
	{
		led_array[i].mode = malloc(sizeof(led_mode_t) * led_array[i].mode_count);
		memset(led_array[i].mode, 0, sizeof(led_mode_t) * led_array[i].mode_count);
	}
	INIT_MODE(0, 0, 200, 400);
	INIT_MODE(1, 0, 500, 1000);
	INIT_MODE(2, 0, 100, 100);
	INIT_MODE(3, 0, 30, 100);
	INIT_MODE(3, 1, 30, 900);
}

OK，我们已经设定了各个LED的闪烁模式，对接了初始化，亮起，熄灭的函数，是时候让他跑起来了。
假设我们有一个bsp_led_tick函数，该函数每1ms调用一次。我们在该函数中定义一个递增的变量tick，比较其它和LED灯ontime的大小。tick比ontime小则LED亮起，比ontime大则LED熄灭。为了循环往复的工作，我们采用的比较值应该是tick对周期的求余而不是tick本身。示例如下

static void bsp_led_tick(void){
#define i_CYCLE_LENGTH  (led_array[i].mode[led_array[i].mode_current].cycle)
#define i_ON_TIME (led_array[i].mode[led_array[i].mode_current].ontime)
	static uint64_t tick;
	for(uint8_t i = 0; i <  i < sizeof(led_array)/led_array[0]; i++)
	{
		if(tick % i_CYCLE_LENGTH < i_ON_TIME)
			led_array[i].on();
		else
			led_array[i].off();
	}
	tick++;
}

我们使用了两个宏i_CYCLE_LENGTH ，i_ON_TIME 来减少代码长度，增加可读性。
可以看出，切换闪烁模式的话直接修改led_array[i].mode_current即可。
到此，我们的驱动框架就很清晰了。
接下来我会指出该框架的问题，并逐一修改。

问题修复

问题1：LED无法关闭
上面代码中LED一直会闪烁无法关闭
解决办法
LED关闭可以认为是一种模式。其中ontime为0，周期为任意值（0除外）
所以，我们可以占用mode[0]，将其所有LED的mode[0]初始化为ontime=0， cycle=1，用户设置mode_current为0的时候调用该模式，关闭LED。注意，此时用户设置的闪烁模式需要从mode[1]开始

那么，同样的，如果需要LED常亮呢？我认为LED熄灭是大部分项目中必要的，而常亮却不一定，所以在代码中不做常亮模式的预先设置，如果用户需要的话可以另外设置一个mode，其中的ontime大于cycletime（cycletime不可以为0）即可

问题2：on off重复调用
满足if(tick % i_cycle < i_ontime )条件的时候，程序会重复调用led_array[i].on();即使此时LED已经打开了。
解决办法
在led_t中增加state成员，标记LED状态，已经打开的时候不要重复调用on，已经关闭的不要重复调用off

	···
	for(uint8_t i = 0; i < sizeof(led_array)/led_array[0]; i++)
	{
		//增加关闭模式，此后mode[0]就被占用了，用户定义的闪烁模式要从mode[1]开始
		led_array[i].mode = malloc(sizeof(led_mode_t) * (led_array[i].mode_count)+1);
		memset(led_array[i].mode, 0, sizeof(led_mode_t) *  (led_array[i].mode_count)+1t);
	}
	INIT_MODE(0, 1, 200, 400);
	INIT_MODE(1, 1, 500, 1000);
	INIT_MODE(2, 1, 100, 100);
	INIT_MODE(3, 1, 30, 100);
	INIT_MODE(3, 2, 30, 900);
	···

static void bsp_led_tick(void){
		······
		//cycletime == 0， LED不再闪烁
		if(i_CYCLE_LENGTH == 0)
		{
			if( (lled_array[i]..state == 1))
			{
				led_array[i].state = 0;
				led_array[i].off();
			}
			continue;
		}
		else
		{
			if(tick % i_CYCLE_LENGTH < i_ON_TIME)
			{
					if( (led_array[i].state == 0))
					{//如果之前是关闭的，那么开启
						led_array[i].state = 1;
						led_array[i].on();
					}
			}
			else
			{
					if( led_array.led[i].state == 1)
					{//如果之前是开启的，那么关闭
						led_array[i].state = 0;
						led_array[i].off();
					}
			}
		}
	tick++;
}

问题3：如何实现双闪
我们之前说过，双闪是两种闪烁模式的交替闪烁，那么如何实现交替切换模式呢？
很简单，我们只要再bsp_led_tick中判断tick是否增加到mode[].cycle即可。
即

//周期回调函数
if(i_CYCLE_LENGTH-1 == (tick % i_CYCLE_LENGTH))
{
	led_array[i].cycle_func();
}

cycle_func是led_t中增加的新成员，作为周期结束的回调函数。使用前需要初始化指向led3_cyclefun，在该函数中做模式切换

static void led3_cyclefun()
{
	if(led_array[3].mode_current== 1)led_array[3].mode_current = 2;
	else if(led_array[3].mode_current== 2)led_array[3].mode_current = 1;
}

有了周期回调函数，再复杂的LED显示效果我们都可以做出来，只需要再周期结束修改显示模式即可。
但是理想很丰满，现实很骨感，这个地方还有一小片乌云等待解决。

我没有按照led3设置mode时间值，按照图上的会直观一点。
可以看到，在第二个闪烁模式tick=2时间段，此时ontime=1，tick%cycletime=2%5=2，那么第二模式根本不会亮起。此时的流程实际上变成了如下图

为了解决这个问题，我们需要明确，模式切换之后tick起始点是不同的，不可以笼统的写作tick%cycletime，模式切换之后应该有自己的tick起始点tick_start，按照（tick-tick_start)%cycletime求得余数
问题4：同步
为了解决问题三，我们引入了起点tick_start机制，这回带来新的问题。
每一个LED都有自己的起点，在模式切换的时候更新为当前tick。模式切换是使用该驱动的人决定的，这会造成即使相同周期的LED灯闪烁相位的差异，看起来在乱闪。
解决办法
在led_t中引入sync成员，ticks_start只有配置了sync为0的时候才会更新为当前tick，否则设置为0。
这将会明确一个事实，sync配置为1的LED无法实现循环的闪烁模式切换。即类似于双闪这种循环的切换模式是不被允许的，单次的切换可以。
双闪如果要做同步该怎么办？应该可以在周期回调函数中做一些工作，留给大家思考。

优化

这部分主要优化的是代码体积，假设我有十个灯，每一个都需要on，off，cyclefunc，这也太恐怖了。所以，我们应该再led_t结构体之上再做一个结构体led_array_t。内容如下

typedef struct{
	led_t led[LED_COUNT];
	void (*on)(void *parameter);	//打开LED
	void (*off)(void *parameter);	//关闭LED
	void (* cycle_func)(void *parameter);	//cycle结束的回调函数
}led_array_t;

这里设置了parameter参数，调用函数的时候将led_t传入以标识身份，在函数内部判断我是哪一个LED，进行相应的操作
举例如下

static void bsp_led_on(void *parameter)
{
	led_t *p = (led_t *)parameter;
	switch(p-led_array.led)
	{
		case 0:DRV_DIO_ChannelOutSet(DRV_DIO_ID_PIO_9);break;
		case 1:DRV_DIO_ChannelOutSet(DRV_DIO_ID_PIO_25);break;
		case 2:DRV_DIO_ChannelOutSet(DRV_DIO_ID_PIO_14);break;
		case 3:DRV_DIO_ChannelOutSet(DRV_DIO_ID_PIO_15);break;
		default:break;
	};
}

OK，内容到此结束了，这样看来写好一个LED并不容易。
下面提供了一个基于RTOS的源码，如果要修改为裸机的并不需要耗费很大功夫，相信你可以做到
程序源码在此：https://gitee.com/nwwhhh/led_flash_driver