CN113434199B - 一种可驱动多组rgb灯的mcu及其驱动方法 - Google Patents

一种可驱动多组rgb灯的mcu及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可驱动多组RGB灯的MCU及其驱动方法，实现在MCU上对多组RGB灯进行灵活驱动，设置消隐定时器和中断，显示驱动周期结束时触发中断，硬件关闭列引脚输出，消隐定时器开始定时，执行中断用软件加载下一行灯效对应的列引脚驱动信号的PWM波数据；消隐周期结束时硬件同步开启所有PWM模块工作，进入下一轮显示驱动周期。在显示驱动周期和消隐周期，PWM波模块与消隐定时器分别轮流接续工作。充分利用消隐周期加载下一行PWM波数据，解决RGB灯各引脚的同步驱动问题，在完全不影响驱动效果的条件下，还可以更加灵活地配置驱动时间和数据到每一轮扫描中，对缓冲区的大小要求极低，硬件电路更加简单，成本更低。

Description

一种可驱动多组RGB灯的MCU及其驱动方法
技术领域
本发明涉及单片机领域，尤其涉及一种可驱动多组RGB灯的MCU及其驱动方法。
背景技术
绚丽多彩的灯效不仅带给用户视觉享受，同时会让产品看起来更酷炫、有科技感，所以现在很多电子产品厂家将此作为一个卖点来提升产品档次。多组RGB灯组合被常用来实现灯效，通过对每一个RGB灯中红、绿、蓝三光的调节达到各种色彩明暗的灯光。
早期通过软件代码驱动多组RGB灯，但这种方式对软件执行时间要求很高，不但要动态改变驱动引脚的PWM占空比，而且要求一个RGB的3端同步驱动，占用CPU资源大，定时间隔也无法保证，导致显示易闪烁且效果差。所以现有常规方式都是由硬件电路实现RGB的扫描驱动功能，但该方法不够灵活，扫描时间固定，需要定义包含全部所有行周期的较大RAM区域来存储扫描数据，通过硬件DMA自动调取数据对应驱动一轮完整的RGB灯，占用空间大、成本高、灵活性差。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中，通过硬件方法实现RGB扫描驱动不够灵活，扫描时间固定，存储空间大的问题，本发明提供一种在MCU上驱动多组RGB灯的方法。
本发明另一目的是提供一种可驱动多组RGB灯的MCU。
技术方案：一种在MCU上驱动多组RGB灯的方法，包括以下步骤：
步骤一、定义消隐定时器，所述消隐定时器用于对消隐周期定时；
步骤二、初始化所有行引脚与列引脚，开启扫描，开启所有PWM模块工作；
步骤三、硬件开启所有列引脚输出，PWM模块同步输出三组PWM波驱动列引脚，进入显示驱动周期；
步骤四、待三组PWM波周期结束时，触发中断，软件执行中断事件，硬件关闭所有列引脚输出，消隐定时器开始定时，进入消隐周期；所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个行引脚；执行软件加载指令，将下一行对应的列引脚的PWM波数据传入PWM模块中，中断返回；
步骤五、消隐定时器控制消隐周期结束，开启所有PWM模块工作，返回步骤三。
进一步地，步骤四中，执行软件加载指令的具体方法为：软件加载指令仅包含将源缓冲区中的PWM波数据读取至内部寄存器；同时PWM模块对数据传输进行监测，当在消隐期间监测到有PWM波数据传输时，自动将PWM波数据送入PWM硬件锁存器中，且源缓冲区指针自动增量。
进一步地，步骤四中，所述PWM波数据包括控制亮度、红色、绿色、蓝色四组PWM数据，PWM模块用于分别将控制亮度的PWM数据与控制红色、绿色、蓝色的PWM数据逻辑与计算，形成R、G、B三组PWM波并输出。
进一步地，步骤四中，还包括按键扫描检测，检测行引脚、列引脚上连接的按键是否被按下。
一种可驱动多组RGB灯的MCU，包括：
至少两个行引脚及行引脚驱动电路；
三组且每组至少4个PWM模块、三组且每组至少4个列引脚及三组且每组至少4个列引脚驱动电路，PWM模块与列引脚驱动电路连接；PWM模块用于在显示驱动周期输出PWM波驱动列引脚，在PWM波周期结束时触发中断，并开启消隐定时器定时；
消隐定时器，用于消隐周期的定时，并在消隐周期结束时开启所有PWM模块工作；
处理器，用于在中断触发时执行中断事件，所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个行引脚；执行软件加载指令，将下一行对应的列引脚的PWM波数据传入PWM模块中。
进一步地，PWM模块包括硬件锁存器，硬件锁存器用于存储PWM波数据。
进一步地，步骤四中，所述PWM波数据包括控制亮度、红色、绿色、蓝色四组PWM数据，PWM模块用于分别将控制亮度的PWM数据与控制红色、绿色、蓝色的PWM数据叠加，形成R、G、B三组PWM波并输出。
进一步地，设MCU共有GPIO口n个，n个GPIO口均可作为行引脚。
一种MCU驱动多组RGB灯的装置，包括上述MCU及至少八个RGB灯，各RGB灯呈矩阵连接，RGB灯包括公共端、R端、G端及B端，各RGB灯的公共端与MCU的行引脚连接，各RGB灯的R端、G端及B端分别与三组列引脚连接。
本发明提供了一种可驱动多组RGB灯的MCU及其驱动方法，相比较现有技术，具有以下有益效果：
（1）扫描更加灵活。可以随时更改需扫描的行引脚，MCU的所有GPIO口均可选，可随时对扫描行进行增减、跳过、选择、改变顺序等操作，操作简单便捷。充分利用行引脚切换的消隐时间段，既避免了前后两组显示互相干扰的同时，又将消隐时间用于加载数据、扫描按键等，设置中断触发，用软件加载下一时刻列引脚驱动信号的PWM波数据，用硬件同步开启所有列引脚上的PWM模块工作，解决RGB灯各引脚的同步驱动问题，在完全不影响驱动效果的基础上，实现更加灵活地配置驱动数据到每一轮扫描中。
（2）灵活设置显示周期和消隐周期，可随时改变。在完全不影响驱动效果的基础上，实现更加灵活地配置驱动时间到每一轮扫描中。
（3）数据来源更加灵活。PWM波数据可来源于ROM或RAM，也可随时进行更改。
（4）缓冲区小。因为硬件锁存器每次仅需要加载一行灯效的列引脚数据，在这一行的行引脚有效期间，改变下一行的列引脚数据，并在行引脚切换时再加载下一行灯效的列引脚数据；且数据直接进入PWM模块，外部无需RAM用于DMA，所以对存储区域的大小要求极低，对硬件资源要求更低，成本更低。
（5）实现在MCU上对多组RGB灯进行扫描驱动，优化了数据加载机制，采用软硬结合的方案，执行软件加载指令，由硬件自动保存数据和地址增量，达到纯硬件DMA的速度且保持了源数据的灵活性。
附图说明
图1为本发明硬件部分的流程图；
图2为本发明软件部分的流程图；
图3为实施例中矩阵式RGB灯的连接情况；
图4为驱动芯片的内部结构示意图；
图5为一轮完整的扫描周期各引脚输出信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例一：驱动128个共阳RGB灯实现彩色变换效果。
如图3，每个RGB灯有4个引脚，一个公共共阳引脚A端，3个色彩控制引脚分别是R端、G端、B端。将128个RGB灯所有引脚标记为A0-A127、R0-R127、G0-G127、B0-B127。如图2所示128个RGB灯呈矩阵式连接排布，总共需要MCU提供16个行引脚（COM引脚）COM0-COM15和24个列引脚（SEG引脚）SEG0-SEG23。由于是共阳灯，在COMx端还需增加PMOS管。另外，还可以根据应用场景的需要，在MCU的行引脚和列引脚上连接按键，在驱动RGB灯显示的同时，还可以进行按键的扫描检测。
如图4，MCU内部包括：16个行引脚及行引脚驱动电路；三组且每组八个PWM模块、列引脚及列引脚驱动电路，PWM模块与列引脚驱动电路连接，PWM模块用于在显示驱动周期输出PWM波驱动列引脚，在PWM波周期结束时触发中断，并开启消隐定时器定时；消隐定时器，用于消隐周期的定时，并在消隐周期结束时开启所有PWM模块工作，保证各RGB灯的三色引脚同步驱动；处理器，用于在中断触发时执行中断事件，所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个行引脚；执行软件加载指令，将下一行对应的列引脚的PWM波数据传入PWM模块中。
如图1和图2所示，在MCU上驱动多组RGB灯的方法包括以下步骤：
步骤一、定义消隐定时器，所述消隐定时器用于消隐周期的定时；
步骤二、软件初始化所有行引脚和列引脚，设置PWM数据宽度8位，即支持256*256*256色；亮度数据位宽度8位；开启所有PWM模块工作，打开RGB扫描功能；
步骤三、硬件开启所有列引脚输出，PWM模块同步输出三组PWM波驱动列引脚（同步指R、G、B三组PWM波并行输出），进入显示驱动周期；
步骤四、待三组PWM波周期结束时，触发中断，软件执行中断事件，硬件关闭所有列引脚输出，消隐定时器开始定时，进入消隐周期；
这里三组PWM波周期指的是一个行对应的R/G/B三组PWM波周期，其周期可以是一个PWM波，也可以是多个的PWM波的重复。如图2，所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个有效行引脚到寄存器中；执行软件加载指令，通过特定软件加载指令将32字节PWM数据送入硬件锁存器中，32个数据包8组4字节数据，分别代表控制亮度、红色、绿色、蓝色的PWM值，驱动红色列引脚的PWM波由控制亮度的PWM数据与控制红色的PWM数据逻辑与而成，驱动绿色列引脚的PWM波由控制亮度的PWM数据与控制绿色的PWM数据逻辑与而成，驱动蓝色列引脚的PWM波由控制亮度的PWM数据与控制蓝色的PWM数据逻辑与而成。若MCU行引脚和列引脚上还连接有按键，还包括对按键进行扫描检测，识别是否有按键按下；以上操作完成后，中断返回；
为了进一步加快PWM波数据的加载速度，软件加载指令除了采用将源缓冲区的PWM波数据读取至内部寄存器中，再将内部寄存器中的数据写入PWM模块的硬件锁存器以外，还可以设定一种特定的软件加载指令，软件加载指令仅包含将源缓冲区的PWM波数据读取至内部寄存器；同时，PWM模块对数据传输进行监测，当在消隐期间监测到有PWM波数据传输时，自动将PWM波数据送入PWM硬件锁存器中，且源缓冲区指针自动增量，源缓冲区可以是RAM或ROM，指针增量的值根据不同来源的数据特征进行设置。相比较既包含读指令，又包含写指令的方式，这样可以进一步精简软件指令，加快加载数据的速度，在消隐时间内尽快完成PWM波数据加载；
步骤五、消隐定时器控制消隐周期结束，开启所有PWM模块工作，返回步骤三，进入下一轮显示驱动周期，按照步骤四中加载的PWM波数据输出驱动信号。
如图5所示扫描过程的COMx和SEGx输出波形，单行扫描显示时间是682.67us，用于消隐并加载数据的时间是21.33us，完成一轮128个RGB显示时间需要11.264ms。由于大部分时间是用来做扫描显示的，软件代码可利用每行的显示时间做下一行灯效的数据运算，提前准备好数据内容，并在消隐时间里直接加载数据。想要实现彩色变换效果，就要设置不同的RGB的配比，不同的配比显示出的色彩不同。
实施例二：驱动128个共阳RGB灯实现输出白光并进行亮度渐变。
实施例二的装置与实施例一相同，仅在驱动方法上有所差别。
由于输出的是白光，所以对于一个RGB灯而言，R、G、B引脚的PWM值需要保持一致，首次行中断加载值为128，亮度值进行递增，亮度数值大于200后，每次步进1递增，亮度值在100-200之间，每次步进2，亮度值在30-100间步进3，小余30步进5，以此获取更明显的亮度渐变效果。
还可以根据其他需要设置RGB灯矩阵的显示效果，根据需要随时改变扫描的行引脚，任一选择组合行引脚，MCU剩余的GPIO口均可用作行引脚进行扫描，控制十分灵活方便。

Claims (9)

1.一种在MCU上驱动多组RGB灯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、定义消隐定时器，所述消隐定时器用于对消隐周期定时；
步骤二、初始化所有行引脚与列引脚，开启扫描；
步骤三、硬件开启所有PWM模块工作，开启所有列引脚输出，进入显示驱动周期，PWM模块同步输出三组PWM波驱动列引脚；
步骤四、待三组PWM波周期结束，硬件关闭所有列引脚输出，消隐定时器开始定时，进入消隐周期，触发中断，软件执行中断事件，所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个行引脚，执行软件加载指令，将下一行对应的列引脚的PWM波数据传入PWM模块中，中断返回；
步骤五、消隐定时器控制消隐周期结束，返回步骤三。
2.根据权利要求1所述的在MCU上驱动多组RGB灯的方法，其特征在于，步骤四中，执行软件加载指令的具体方法为：软件加载指令仅包含将源缓冲区中的PWM波数据读取至内部寄存器；同时PWM模块对数据传输进行监测，当在消隐期间监测到有PWM波数据传输时，自动将PWM波数据送入PWM硬件锁存器中，且源缓冲区指针自动增量。
3.根据权利要求1或2所述的在MCU上驱动多组RGB灯的方法，其特征在于，步骤四中，所述PWM波数据包括控制亮度、红色、绿色、蓝色四组PWM数据，PWM模块用于分别将控制亮度的PWM数据与控制红色、绿色、蓝色的PWM数据逻辑与计算，形成R、G、B三组PWM波并输出。
4.根据权利要求1或2所述的在MCU上驱动多组RGB灯的方法，其特征在于，步骤四中，还包括按键扫描检测，所述按键扫描检测包括检测行引脚、列引脚上连接的按键是否被按下。
5.一种可驱动多组RGB灯的MCU，其特征在于，包括：
至少两个行引脚及行引脚驱动电路；
三组且每组至少4个PWM模块、三组且每组至少4个列引脚及三组且每组至少4个列引脚驱动电路，PWM模块与列引脚驱动电路连接；PWM模块用于在显示驱动周期输出PWM波驱动列引脚，在PWM波周期结束时触发中断，并开启消隐定时器定时；
消隐定时器，用于消隐周期的定时，并在消隐周期结束时开启所有PWM模块工作；
处理器，用于在中断触发时执行中断事件，所述中断事件为：选择另一个GPIO口作为下一个行引脚；执行软件加载指令，将下一行对应的列引脚的PWM波数据传入PWM模块中。
6.根据权利要求5所述的可驱动多组RGB灯的MCU，其特征在于，PWM模块包括硬件锁存器，硬件锁存器用于存储PWM波数据。
7.根据权利要求5或6所述的可驱动多组RGB灯的MCU，其特征在于，所述PWM波数据包括控制亮度、红色、绿色、蓝色四组PWM数据，PWM模块用于分别将控制亮度的PWM数据与控制红色、绿色、蓝色的PWM数据叠加，形成R、G、B三组PWM波并输出。
8.根据权利要求5或6所述的可驱动多组RGB灯的MCU，其特征在于，设MCU共有GPIO口n个，n个GPIO口均可作为行引脚。
9.一种MCU驱动多组RGB灯的装置，其特征在于，包括如权利要求5-8任一所述的MCU及至少八个RGB灯，各RGB灯呈矩阵连接，RGB灯包括公共端、R端、G端及B端，各RGB灯的公共端与MCU的行引脚连接，各RGB灯的R端、G端及B端分别与三组列引脚连接。
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