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[消费电子] 查理复用

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等我变优秀 发表于 2026-4-28 22:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
查理复用, 瑞萨, GPIO, 消费电子
   最近手头上有个项目，需要驱动两个数码管再加几个状态图标，但 MCU 的 GPIO 实在紧张，抠抠搜搜最后决定用查理复用（Charlieplexing） 来搞，只用 5 个 GPIO 就搞定了。今天在 e2s IDE 下把代码封装好了，实测稳定，来和大家分享一下。
    5225069f0bf57d147a.jpg

一、函数封装介绍
     先说说原理，查理复用这玩意儿确实省 GPIO，n个引脚能驱动n*(n-1)个 LED。我这次用了 5 个 GPIO（就叫它们 A、B、C、D、E 吧，对应 RA4E2 的 P000-P004，大家可根据板子改），算下来能驱动 20 个 LED。分配一下：两个数码管各 8 段（a-g + 小数点）占 16 个，剩下 4 个当图标（蓝牙、电池、闹钟等），刚好够。


封装了两个核心函数：

  • Charlieplex_Init()：负责将 5 个 GPIO 配置为推挽输出模式，同时开启对应端口时钟。
  • Charlieplex_Display(uint8_t digit1, uint8_t digit0, uint8_t icon_mask)：入参为两个数码管的数字（0-9）和图标掩码（4 位对应 4 个图标）。内部通过查表法控制引脚输出高低电平或高阻态，避免串扰。


二、使用方法
三步搞定，非常简单：

  • 包含头文件：引入Charlieplex.h（内含函数声明和引脚宏定义）。
  • 复制
    1. #ifndef CHARLIEPLEX_H
      

    2. #define CHARLIEPLEX_H
      


    3. 

    4. #include "hal_data.h"
      


    5. 

    6. /* ================= 引脚配置（请根据实际板子修改） ================= */
      

    7. #define CHARLIEPLEX_PIN_A  BSP_IO_PORT_00_PIN_00  // 引脚A
      

    8. #define CHARLIEPLEX_PIN_B  BSP_IO_PORT_00_PIN_01  // 引脚B
      

    9. #define CHARLIEPLEX_PIN_C  BSP_IO_PORT_00_PIN_02  // 引脚C
      

    10. #define CHARLIEPLEX_PIN_D  BSP_IO_PORT_00_PIN_03  // 引脚D
      

    11. #define CHARLIEPLEX_PIN_E  BSP_IO_PORT_00_PIN_04  // 引脚E
      


    12. 

    13. /* ================= 函数声明 ================= */
      

    14. void Charlieplex_Init(void);
      

    15. void Charlieplex_Display(uint8_t digit1, uint8_t digit0, uint8_t icon_mask);
      


    16. 

    17. #endif

  • 初始化：在main函数开头调用Charlieplex_Init()配置 GPIO。
  • 调用显示：在主循环或定时器中断中调用Charlieplex_Display()，建议 1ms 刷新一次避免闪烁。

复制
  1. #include "Charlieplex.h"
    


  2. 

  3. /* ================= 内部变量与表 ================= */
    

  4. // 共阴数码管段码表（0-9，a-g+dp）
    

  5. static const uint8_t seg_table[] = {
    

  6.     0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F
    

  7. };
    


  8. 

  9. // 引脚数组，方便循环操作
    

  10. static const bsp_io_port_pin_t pins[] = {
    

  11.     CHARLIEPLEX_PIN_A, CHARLIEPLEX_PIN_B, 
    

  12.     CHARLIEPLEX_PIN_C, CHARLIEPLEX_PIN_D, CHARLIEPLEX_PIN_E
    

  13. };
    


  14. 

  15. /* ================= 内部辅助函数 ================= */
    

  16. // 将所有引脚设为高阻态（输入模式）
    

  17. static void _Charlieplex_AllHighZ(void)
    

  18. {
    

  19.     for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
    

  20.         R_PORT_PinCfgSet(pins[i], BSP_IO_CFG_INPUT);
    

  21.     }
    

  22. }
    


  23. 

  24. // 驱动单个LED：anode_idx=阳极引脚索引(0-4)，cathode_idx=阴极引脚索引(0-4)
    

  25. static void _Charlieplex_DriveLED(uint8_t anode_idx, uint8_t cathode_idx)
    

  26. {
    

  27.     _Charlieplex_AllHighZ();
    

  28.     // 阳极设为推挽输出高
    

  29.     R_PORT_PinCfgSet(pins[anode_idx], BSP_IO_CFG_OUTPUT_PUSH_PULL);
    

  30.     R_PORT_PinWrite(pins[anode_idx], BSP_IO_LEVEL_HIGH);
    

  31.     // 阴极设为推挽输出低
    

  32.     R_PORT_PinCfgSet(pins[cathode_idx], BSP_IO_CFG_OUTPUT_PUSH_PULL);
    

  33.     R_PORT_PinWrite(pins[cathode_idx], BSP_IO_LEVEL_LOW);
    

  34. }
    


  35. 

  36. /* ================= 核心函数实现 ================= */
    


  37. 

  38. /**
    

  39.  * [url=/u/brief]@brief[/url] 查理复用初始化
    

  40.  * 开启端口时钟，所有引脚初始化为高阻态
    

  41.  */
    

  42. void Charlieplex_Init(void)
    

  43. {
    

  44.     // 开启P0端口时钟（若用其他端口请修改）
    

  45.     R_SYS_ModuleClockEnable(SYS_MODULE_PORT0);
    

  46.     // 所有引脚初始化为高阻
    

  47.     _Charlieplex_AllHighZ();
    

  48. }
    


  49. 

  50. /**
    

  51.  * @brief 查理复用显示函数
    

  52.  * @param digit1: 十位数字(0-9)，超过9则不显示
    

  53.  * @param digit0: 个位数字(0-9)，超过9则不显示
    

  54.  * @param icon_mask: 图标掩码(bit0-bit3对应4个图标)
    

  55.  */
    

  56. void Charlieplex_Display(uint8_t digit1, uint8_t digit0, uint8_t icon_mask)
    

  57. {
    

  58.     uint8_t seg;
    

  59.     
    

  60.     /* ---------------- 1. 显示十位数码管 ---------------- */
    

  61.     if (digit1 <= 9) {
    

  62.         seg = seg_table[digit1];
    

  63.         // 段映射：a=A阳B阴, b=A阳C阴, c=A阳D阴, d=A阳E阴, e=B阳A阴, f=B阳C阴, g=B阳D阴, dp=B阳E阴
    

  64.         if (seg & 0x01) { _Charlieplex_DriveLED(0, 1); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // a
    

  65.         if (seg & 0x02) { _Charlieplex_DriveLED(0, 2); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // b
    

  66.         if (seg & 0x04) { _Charlieplex_DriveLED(0, 3); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // c
    

  67.         if (seg & 0x08) { _Charlieplex_DriveLED(0, 4); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // d
    

  68.         if (seg & 0x10) { _Charlieplex_DriveLED(1, 0); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // e
    

  69.         if (seg & 0x20) { _Charlieplex_DriveLED(1, 2); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // f
    

  70.         if (seg & 0x40) { _Charlieplex_DriveLED(1, 3); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // g
    

  71.         if (seg & 0x80) { _Charlieplex_DriveLED(1, 4); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // dp
    

  72.     }
    

  73.     
    

  74.     /* ---------------- 2. 显示个位数码管 ---------------- */
    

  75.     if (digit0 <= 9) {
    

  76.         seg = seg_table[digit0];
    

  77.         // 段映射：a=C阳A阴, b=C阳B阴, c=C阳D阴, d=C阳E阴, e=D阳A阴, f=D阳B阴, g=D阳C阴, dp=D阳E阴
    

  78.         if (seg & 0x01) { _Charlieplex_DriveLED(2, 0); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // a
    

  79.         if (seg & 0x02) { _Charlieplex_DriveLED(2, 1); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // b
    

  80.         if (seg & 0x04) { _Charlieplex_DriveLED(2, 3); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // c
    

  81.         if (seg & 0x08) { _Charlieplex_DriveLED(2, 4); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // d
    

  82.         if (seg & 0x10) { _Charlieplex_DriveLED(3, 0); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // e
    

  83.         if (seg & 0x20) { _Charlieplex_DriveLED(3, 1); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // f
    

  84.         if (seg & 0x40) { _Charlieplex_DriveLED(3, 2); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // g
    

  85.         if (seg & 0x80) { _Charlieplex_DriveLED(3, 4); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // dp
    

  86.     }
    

  87.     
    

  88.     /* ---------------- 3. 显示图标 ---------------- */
    

  89.     // 图标映射：图标1=E阳A阴, 图标2=E阳B阴, 图标3=E阳C阴, 图标4=E阳D阴
    

  90.     if (icon_mask & 0x01) { _Charlieplex_DriveLED(4, 0); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // 图标1
    

  91.     if (icon_mask & 0x02) { _Charlieplex_DriveLED(4, 1); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // 图标2
    

  92.     if (icon_mask & 0x04) { _Charlieplex_DriveLED(4, 2); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // 图标3
    

  93.     if (icon_mask & 0x08) { _Charlieplex_DriveLED(4, 3); R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); } // 图标4
    

  94.     
    

  95.     // 最后恢复高阻，避免串扰
    

  96.     _Charlieplex_AllHighZ();
    

  97. }


三、调用代码验证
直接上测试代码，我在主循环里让数码管从 00 跑到 99，图标依次点亮，大家可直接复制到 e2s 里试：
8669469f0bfde9a75b.png


复制
  1. #include "hal_data.h"
    

  2. #include "Charlieplex.h"
    


  3. 

  4. void main(void)
    

  5. {
    

  6.     /* 初始化系统时钟（根据实际项目配置） */
    

  7.     R_SYS_ClockSourceEnable(SYS_CLOCK_SOURCE_MAIN_OSC);
    

  8.     R_SYS_ClockConfig(SYS_CLOCK_TYPE_ICLK, 8, SYS_CLOCK_SOURCE_MAIN_OSC);
    

  9.     
    

  10.     /* 查理复用初始化 */
    

  11.     Charlieplex_Init();
    

  12.     
    

  13.     uint8_t num = 0;
    

  14.     uint8_t icon = 0x01;
    

  15.     
    

  16.     while (1)
    

  17.     {
    

  18.         /* 显示数字十位、个位，图标轮流点亮 */
    

  19.         Charlieplex_Display(num / 10, num % 10, icon);
    

  20.         
    

  21.         /* 延时切换数字和图标 */
    

  22.         R_BSP_SoftwareDelay(200, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    

  23.         num = (num > 99) ? 0 : (num + 1);
    

  24.         icon = (icon > 0x08) ? 0x01 : (icon << 1);
    

  25.     }
    

  26. }


注：延时用了瑞萨 FSP 的R_BSP_SoftwareDelay，大家可根据自己的库替换，或用定时器中断刷新更稳定。


四、预期输出结果
烧录后你会看到：

  • 两个数码管从00开始，每秒加 1，循环到99；
  • 4 个图标（需硬件对应）从第一个开始，每隔 200ms 切换下一个，轮流点亮；
  • 刷新频率足够时，数码管无闪烁，图标显示稳定。

    因为手机拍摄出来的效果会有闪烁比较严重的现象，这里就没有放图。这是因为查理复用利用的是人眼的视觉暂留，但是对于手机这种设备来说是可以看到快速闪烁的。
五、移植方法
想移到自己的板子？主要改这几点：

  • 引脚定义：打开Charlieplex.h，修改CHARLIEPLEX_PIN_A等宏为你实际使用的端口和引脚（如 P105）。
  • 时钟使能：在Charlieplex_Init()中添加对应端口的时钟使能代码（如用 P1 口需调用R_SYS_ModuleClockEnable(SYS_MODULE_PORT1)）。
  • 共阴 / 共阳切换：若数码管是共阳，在显示函数中将高低电平逻辑反转即可。


六、注意事项
踩过的坑分享给大家，避免重蹈覆辙：

  • 限流电阻：每个 LED 必须串 220Ω-1kΩ 的限流电阻，别直接接 GPIO！
  • 刷新频率：推荐用定时器中断（1ms-5ms 一次），主循环延时易被打断导致闪烁。
  • 高阻态设置：未使用的引脚务必设为输入模式（高阻），否则会有串扰（LED 微亮）。
  • 引脚顺序：硬件接线必须与软件定义的 A→B→C→D→E 顺序一致，否则显示乱码。
  • 驱动能力：若 LED 较多或较亮，建议用三极管扩流，瑞萨 GPIO 单引脚驱动能力一般为几 mA。

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