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。

    //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

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