RGB LED可提供多色LED显示解决方案

发光二极管 (LED) 是一种简单经济的状态信息显示方法。但是，对于某些项目而言，一个单色 LED 可能不够。而由于空间、成本或功耗限制，多个 LED 又可能不太现实。针对这些情况，多色 LED 提供了一种有效的解决方案，前提是这种 LED 能与微控制器正确连接。

本文将首先阐述 LED 的基础知识，然后讨论多色 LED 的优势，之后介绍哪些是合适的多色 LED 解决方案，最后说明如何将 LED 连接到微控制器，以产生多达 1600 万种不同的颜色。

将 LED 视为二极管

在设计带 LED 的电路时，务必记住这些器件不是白炽灯泡，而是恰好能发光的半导体器件（二极管）。作为二极管，它们通常只允许电流主要流向一个方向（二极管并不理想，因此在反向偏置时会产生少量电流）。

普通 LED 的发光部分是位于组件中心的简单半导体二极管，由单个 p-n 结构成（图 1）。电流从连接到 P 型硅的 LED 阳极流向连接到 N 型硅的 LED 阴极。在普通二极管中，p-n 结通常是锗 (Ge) 或硅 (Si)。然而，对于 LED 而言，这个结通常是透明的磷砷化镓 (GaAsP) 或磷化镓 (GaP) 半导体材料。

图 1：LED 组件含有半导体 p-n 结芯片，可使电流从阳极流到阴极。带透镜的透明外壳可以让用户轻松看到产生的发射光。（图片来源：维基百科）

利用透明的 GaAsP 或 GaP，施加在 p-n 结上的正向电压会从半导体释放出光子。p-n 结安装在反射镜腔上，而该镜腔可将光子聚集到 LED 透镜。LED 的透镜和本体由透明环氧树脂组成，而树脂可选择性地进行着色，以匹配发射光的颜色。

反射镜腔位于称为铁砧的引线框上，阴极通过接合线连接到称为极柱的引线框上。铁砧和极柱的形状可使它们与 LED 环氧树脂本体形成牢固连接，从而无法将阳极或阴极引脚从 LED 环氧树脂本体上拉出，造成 LED 损坏。

单色 LED

LED 有多种颜色可供选择，包括红色、绿色、黄色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出现的白色和蓝色。单色 LED 配备的半导体芯片由可产生所需光线波长的材料组成，并且 LED 环氧树脂壳体组件通常具有相同的颜色。虽然不需要使透镜具有与发射光相同的颜色，但重要的是，要容易识别 LED 元件的颜色，防止与其他 LED 混淆。

多色 LED

对于某些空间、成本和功耗受限的系统而言，最好使用一个能发出多种颜色的 LED。通常情况下，这种多色 LED 在一个透明环氧树脂外壳内部配备三个 LED，分别是红色、绿色和蓝色 (RGB)。Adafruit Industries 的 2739 RGB LED 就是一个很好的例子（图 2）。该 LED 专为多色指示灯而设计，配有一个宽 2.5 mm、高 5 mm 的矩形透镜发光表面，以及四根可在 PC 板上进行通孔安装的径向引线。

图 2：Adafruit 的 2739 RGB LED 采用宽 2.5 mm、高 5 mm 的透明环氧树脂矩形透镜，并带有四根径向引线，用于在 PC 板上进行通孔安装。（图片来源：Adafruit Industries）

通常情况下，三个内部 LED 中的任何一个均可以单独使用，也可与其他 LED 结合使用，以产生不同的颜色。

多色 RGB LED 通常有三种引脚布局：

1. 所有 LED 共用一个阳极，每个 LED 有一个阴极，总共四个引脚
2. 所有 LED 共用一个阴极，每个 LED 有一个阳极，总共四个引脚
3. 每个阳极和阴极都分配引脚，总共六个引脚

使用多色 LED 进行设计

Adafruit 的 2739 RGB LED 具有一个共阳极，红色、绿色和蓝色 LED 的每个阴极都分配引脚，总共四个引脚（图 3）。共阳极连接到正极电源，而每个红色、绿色和蓝色 LED 通过接地来接通。

图 3：Adafruit 的 2739 RGB LED 具有一个共阳极，而红色、绿色和蓝色 LED 分别配有一个单独的阴极。（图片来源：Adafruit Industries）

生成多种颜色

如果某种应用只需要显示三种状态中的一种，那么使用 2739 RGB LED 的最简单方法是一次打开一个 LED，用户可以选择红色、绿色或蓝色中的一种。

对于多种颜色，设计人员可以简单地将两种颜色组合在一起，提供以下六种颜色选项：

• 红色
• 绿色
• 蓝色
• 黄色（红色 + 绿色）
• 青色（绿色 + 蓝色）
• 洋红色（红色 + 蓝色）

为了编制清晰的项目文档，显示的颜色应该清晰易辨，并且易于口头确认。例如，具有全电流的绿色 LED 可以在 LED 规格书中记录为“绿黄色”。然而，当 LED 亮起时，大多数消费者和开发人员在被问及时，都会将颜色识别为“绿色”。无论颜色的实际名称如何，用户都应该能够通过视觉和标签轻松区分出不同的颜色。很少有人能够轻易地识别出“绿色”和“绿黄色”之间的区别，如果这两种颜色并排呈现，则可能将绿黄色识别为“绿色”，将绿色识别为“深绿色”。

对于更复杂的应用，可以按不同的强度组合 RGB，从而产生多达 1600 万种颜色。实现这一目的的可靠方法是：将脉冲宽度调制 (PWM) 信号应用于每个 LED，其中占空比与强度相对应。人眼可以识别出 200 赫兹 (Hz) 或更慢的闪烁频率，因此，为了避免闪烁，应使用 1000 Hz 或更快的 PWM 频率。

颜色可通过 RGB 色码轻松选择。这基于 RGB 加色模型，其中红光、绿光和蓝光在强度上各不相同，组合在一起几乎可以重新生成任何颜色。该模型适用于光线，是电视和显示屏中色彩再现的依据，还可用于呈现网页上的颜色。

RGB 色码的简写用 (R,G,B) 表示，其中 R、G 和 B 是红色、绿色和蓝色强度的十进制值，范围介于 0 到 255 之间。例如，蓝色的十进制 RGB 色码为 (0,0,255)，紫色为 (128,0,128)，银色为 (192,192,192)。在确定每种颜色的 PWM 占空比时，需将这些值除以 255，因此蓝色的占空比为 (0,0,100%)，紫色的占空比为 (50%,0,50%)，银色的占空比为 (75%,75%,75%)。

从理论上讲，白光由 (255,255,255) 表示，并且可通过同时打开全强度的红色、绿色和蓝色 LED 来生成。然而，在实践中，通过该方法产生的颜色通常是带有偏蓝色调的白色。出现这种色调是因为，生成的 LED 颜色与理想的红色、绿色和蓝色的精确波长不完全匹配。

微控制器很容易生成所需的 PWM 信号。Microchip Technology 的 ATSAMC21J18A 就是一个合适的例子（图 4）。该微控制器是一款用于物联网端点的低功耗器件，是该公司 SAM C21 微控制器系列产品之一。它配有 48 MHz Arm® Cortex®-M0+ 内核，支持 5 伏 I/O 电压。

图 4：ATSAMC21J18A 微控制器具有定时器/计数器单元，能够自动生成三个同步 PWM 信号。（图片来源：Microchip Technology）

为了驱动 LED，ATSAMC21J18A 配有定时器/计数器单元，能够自动生成三个同步 PWM 信号。SAM C21 系列产品配有高电流阱选件，可使连接各电流阱的四个 I/O 引脚的最大电流为 20 毫安 (mA)。

使用 LED 时，选择正确的串联电阻器来限制电流非常重要。电阻值太小的电阻器会破坏 LED，而电阻值过高的电阻器会导致光线昏暗或无光。串联电阻器的值由每个 LED 的正向电压和所需的电流决定。

LED 是电流控制的半导体。此外，值得注意的是，由于材料的物理特性，LED 的工作电压会随着发射光波长的减小而增加，这是使用多个 LED 时要考虑的重要因素。

当 Adafruit 的 2739 RGB LED 正向电流为 20 mA 时，Adafruit 图表中规定的 LED 典型正向电压为 2 伏（红色）和 3.2 伏（绿色和蓝色）。

如果共阳极连接到 5 伏电压，那么 LED 和 I/O 引脚之间的电阻值由以下等式确定：

等式 1

其中：

V_DD = 5 伏

V_OL = ATSAMC21J18A 的输出低压 = 0.1 x V_DD = 0.5 伏

V_F = 正向电压（典型值）

I = 正向电流，单位：安培

R = 电阻值，单位：欧姆 (Ω)

在 I = 20 mA 的情况下使用该公式，结果是：R_RED (V_F = 2 V) = 125 Ω，R_GREEN = R_BLUE (V_F = 3.2 V) = 65 Ω。

如果计算出的电阻不能作为标准电阻值，开发人员可以选择下一个较低值，或者下一个较高值（首选）。如果选择较低值，则必须注意，不得超过该 LED 的最大正向电压或 ATSAMC21J18A I/O 端口的最大电流灌入能力。虽然在超过这些最大值时 LED 仍然可以工作，但可能会降低 LED 的使用寿命，也可能随着时间的推移，降低 I/O 端口的性能或损坏该端口。或者，如果应用仍能接受较暗光线，则可以降低正向电流。例如，当正向电流为 15 mA 时，Adafruit 的 2739 RGB LED 指定正向电压会降至 1.9 伏（红色）和 3.1 伏（绿色和蓝色），这样会导致电阻值 R_RED = 173.3 Ω，R_GREEN = R_BLUE = 93.3 Ω。

由于 ATSAMC21J18A 可通过控制接地连接来控制 LED，当 I/O 端口为逻辑低电平时，单个 LED 亮起；当 I/O 端口为逻辑高电平时，单个 LED 熄灭。因此，必须倒置计算出的 RGB 色码占空比。例如，如果颜色需要 25% 的占空比，则 PWM 必须能产生 75% 的占空比，才能使 LED 在 25% 的周期时间内工作。此外，如果 LED 必须在上电时熄灭，则微控制器启动代码必须能使三个引脚处于逻辑高电平。

ATSAMC21J18A 配备 256 Kb 闪存、32 Kb RAM 和各种模拟外设。该微控制器还配有六个串行通信模块 (SERCOM)，每个模块都可以作为 USART、SPI、LIN 从器件或 I²C 接口。

智能 RGB LED

使用 RGB LED 生成多种颜色的另一种方法是对其进行编程。智能 LED 是一个术语，用来描述这种带有可编程串行接口的多色 LED。American Bright Optoelectronics 的 BL-HBGR32L-3-TRB-8 就是一个很好的例子。它是一款 5 mm 方形 RGB LED，可以使用 800 千赫 (kHz) I²C 接口进行编程，从而产生任何颜色（图 5）。

图 5： American Bright 的 BL-HBGR32L-3-TRB-8 是一款尺寸为 5 mm 的方形六引脚数字 RGB LED，配有 I²C 直通引脚布局，可使多个器件以菊花链方式连接在同一 I²C 接口上。（图片来源： American Bright Optoelectronics Corp.）

I²C 接口不仅可以节省板空间，而且可以简化微控制器代码，这种便利性极大简化了设计。ATSAMC21J18A 上的一个 SERCOM 端口可配置为 I²C 串行接口，以便轻松连接到 BL-HBGR32L-3-TRB-8。参考图 5 中的引脚布局，来自 ATSAMC21J18A 微控制器的 I²C 数据信号连接到引脚 1 数据输入信号，I²C 时钟连接到引脚 2 时钟输入。

在对 BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED 的颜色进行编程时，需要发送四个代表全局亮度设置和 RGB 色码的字节，作为一个 32 位字。这款智能 LED 在引脚 6 上配有数据输出直通，在引脚 5 上配有 I²C 时钟直通，这样可使多个 LED 能够以菊花链方式连接在一起，以便每个 LED 可以显示不同的颜色。

总结

了解多色 RGB LED 的驱动方式之后，不仅可以节省空间、成本和功耗，还可以增强终端系统、设备、状态指示灯或照明系统的美观性及用户界面。开发人员既可以选择能对每个 LED 进行完全控制的标准 RGB LED，也可以选择能对颜色进行编程控制的智能 LED。此外，当涉及到通常用于产生 PWM 控制信号的微控制器时，目前有许多低功耗、低成本选项可供选择。