摘 要： PCA9633是一款通過I2C總線控制的4路LED控制芯片，每一路LED輸出的狀態(tài)可以設(shè)置為沒有PWM（Pulse Width Modulation）控制的關(guān)或開，或者由其獨(dú)立的PWM控制器的值和組PWM控制器的值確定。LED驅(qū)動(dòng)輸出的信號(hào)頻率為97 kHz，占空比在0%~99.6%可調(diào)。本文介紹PCA9633的I2C協(xié)議，重點(diǎn)介紹它與CPU的硬件電路圖以及通過C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)I2C時(shí)序，驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)光，最后給出應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞： PCA9633；RGB LED；I2C時(shí)序
0 引言
在酒店、舞臺(tái)、娛樂場(chǎng)、咖啡廳、商場(chǎng)、生日宴會(huì)、家庭影院、節(jié)慶日等室內(nèi)外場(chǎng)所，為了展示情調(diào)裝飾，烘托氣氛，經(jīng)常看到RGB LED燈的大量使用。LED是一種性能優(yōu)良的顯示器件，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)電、高亮度、多種發(fā)光顏色、響應(yīng)速度快和驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)省能源的同時(shí)還可以通過PWM器件調(diào)節(jié)LED發(fā)光強(qiáng)度，依據(jù)RGB三原色混光原理調(diào)出多種顏色，再通過MCU智能控制實(shí)現(xiàn)多種顯示效果。本文主要是介紹飛利浦公司生產(chǎn)的一款RGB LED控制器PCA9633的應(yīng)用。
1 PCA9633芯片的原理及特點(diǎn)
1.1 PCA9633的特點(diǎn)[2-3]
PCA9633是I2C總線控制的可編程PWM輸出的4位LED驅(qū)動(dòng)器件，主要應(yīng)用LED RGB紅光/藍(lán)光/綠光/琥珀色的混光，性能指標(biāo)如下：
（1）4路LED驅(qū)動(dòng)，每路驅(qū)動(dòng)可以通過軟件編程為四種狀態(tài)，分別是：開、關(guān)、可編程PWM閃爍控制輸出、可編程每路灰度級(jí)別，同時(shí)支持4路整體亮度調(diào)節(jié)的PWM混光輸出。
（2）調(diào)光控制，PWM輸出頻率97 kHz，每路有256個(gè)灰度級(jí)別。
（3）閃爍控制，PWM可編程頻率范圍0.093 Hz~24 Hz，占空比可編程范圍0%~99.6%。
（4）可通過190 Hz的PWM輸出對(duì)四路PWM輸出整體亮度256級(jí)調(diào)節(jié)。
（5）4位輸出可編程設(shè)置為推拉輸出（在5 V時(shí)，灌電流25 mA，拉電流10 mA）。
（6）7個(gè)硬件地址設(shè)定引腳，同一I2C總線最多可接126片。
（7）每片PCA9633有4個(gè)可編程軟件地址：一個(gè)全部響應(yīng)地址和三個(gè)子地址。
（8）內(nèi)置25 MHz晶振和上電復(fù)位電路，也可通過I2C總線實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。
（9）SDA/SCL內(nèi)置噪聲濾波器，支持1 MHz的I2C快速模式。
（10）支持熱插入，低待機(jī)電流，支持電壓范圍：2.3~5.5 V。
其引腳圖如圖1所示。
引腳描述：
（1）A6～A0：7個(gè)地址輸入引腳；
（2）LED3～LED0：4位LED輸出驅(qū)動(dòng)引腳；
（3）OE：輸出使能引腳，低電平有效；
（4）Vss，VDD：分別是地和電源；
（5）SDA：I2C總線的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；
（6）SCL：I2C總線的時(shí)鐘輸入引腳。
1.2 PCA9633電路連接圖[1-3]
單片機(jī)與PCA9633芯片的連接采用I2C總線的方式，I2C接口引腳描述：
（1）串行數(shù)據(jù)輸入/輸出（SDA）：?jiǎn)纹瑱C(jī)與PCA9633通信的數(shù)據(jù)輸入/輸出線。
（2）串行時(shí)鐘輸入（SCL）：?jiǎn)纹瑱C(jī)與PCA9633通信時(shí)的同步時(shí)鐘。
（3）片選輸入（OE）：輸出使能端，當(dāng)OE有效時(shí)，PCA9633的LEDn輸出有效。
PCA9633的每一路LED驅(qū)動(dòng)輸出電流最大25 mA，當(dāng)RGB燈的工作電流不大時(shí)，可以直接接輸出，如果RGB的電流大，可以在PCA9633的LED驅(qū)動(dòng)輸出端加場(chǎng)效應(yīng)管，例如AP2306，可以提高驅(qū)動(dòng)能力，輸出的連接電路如圖2所示。根據(jù)需要，LED可以串接多個(gè)，多個(gè)LED串接時(shí)，要考慮LED的管壓降，所以要提高LED的電源電壓。為了增加I2C總線的通信距離，增加PCA9600驅(qū)動(dòng)器。硬件電路連接圖見圖2。
1.3 PCA9633芯片寄存器功能描述[2]
PCA9633對(duì)RGB LED燈的控制（亮度，明暗、閃爍，燈的整體控制），是通過設(shè)置其相關(guān)的寄存器完成的，下面介紹其有關(guān)寄存器的功能與設(shè)置方法。
1.3.1 器件地址
PCA9633是4位I2C總線的LED驅(qū)動(dòng)器，與主機(jī)通信遵循I2C協(xié)議的格式，主機(jī)先發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，隨后發(fā)出從機(jī)（PCA9633）的地址，封裝為16腳的PCA9633，有7個(gè)地址引腳分別為A0~A6，從機(jī)地址最多有27，即128個(gè)，在這128個(gè)地址中，其中軟件復(fù)位地址（0x06）和LED呼叫地址（0x0C）這兩個(gè)地址不能作為從機(jī)地址。
（1）正常的I2C-BUS地址
封裝為16腳的PCA9633從機(jī)地址的組成如圖3所示，最高7位是地址線，最低位是讀寫控制位，如果是讀操作最低位為“1”，若是寫操作最低位為“0”。還有一些地址是保留的，最好不要設(shè)置為從機(jī)地址，例如：（0000 011，1111 1xx，0000 000，0000 1xx）。
（2）LED ALL Call IIC-bus address全呼叫地址
全呼叫寄存器的地址是0x0C，功能是當(dāng)PCA9633芯片的控制寄存器中的某個(gè)寄存器設(shè)置為全呼叫時(shí)，那么I2C總線上所有PCA9633器件都可以在同一時(shí)刻被尋址。上電時(shí)，全呼叫寄存器是使能的，默認(rèn)值是0xE0h或0xE1h，當(dāng)主機(jī)發(fā)送E0h或E1h時(shí)，PCA9633會(huì)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，所以全呼叫地址的值0xE0h和0xE1h不能作為從機(jī)地址。全呼地址的值是可以通過I2C總線編程的。
（3）LED Sub Call IIC-bus address子呼叫地址
PCA9633有3個(gè)子呼叫地址寄存器，可以通過I2C總線設(shè)置呼叫總線上的任一PCA9633器件，3個(gè)子呼叫地址為0x09h，0x0ah，0x0bh。上電時(shí)，3個(gè)子地址寄存器為默認(rèn)的值（寫操作是0xE2h，讀操作是0xE3h）、（寫操作是0xE4h，讀操作是0xE5h）、（寫操作是0xE8h，讀操作是0xE9h）；初始狀態(tài)下子呼叫寄存器是禁止使能的，所以這6個(gè)值可以作為從機(jī)地址。
（4）Software Reset IIC-bus address軟件復(fù)位地址
當(dāng)PCA9633需要主機(jī)軟件編程復(fù)位時(shí)，可以使用這個(gè)地址，它的地址為0x06h。
1.3.2 PCA9633控制寄存器[2]
PCA9633有13個(gè)控制寄存器，通過設(shè)置這些寄存器來(lái)改變4路LED輸出的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制或整體控制4路LED亮度和閃爍。每個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)位詳細(xì)說明可以參閱它的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
（1）MODE1-模式1寄存器（地址0x00h）：主要用來(lái)設(shè)置子呼叫地址或全呼叫地址是否使能。
（2）MODE2-模式2寄存器（地址0x01h）：主要功能是設(shè)置燈的輸出邏輯是否反轉(zhuǎn)、配置4位LED是OD門還是推拉輸出結(jié)構(gòu)輸出，以及輸出禁止時(shí)4位LED輸出是高電平、低電平還是高阻狀態(tài)。
（3）PWMx（x可以取值0，1，2，3）-單個(gè)LED燈亮度控制寄存器（地址分別是0x02h，0x03h，0x04h，0x05h）：4路LED輸出控制信號(hào)是頻率為97 kHz，占空比可調(diào)的矩形波，通過設(shè)置亮度控制寄存器的值，改變占空比，調(diào)節(jié)LED燈的亮度，占空比值越大，燈越亮。
（4）組控占空比因數(shù)寄存器（Group duty cycle control，GRPPWM，地址0x06h）：功能是同時(shí)設(shè)置4個(gè)LED燈亮的時(shí)間，通過設(shè)置GRPPWM的值來(lái)調(diào)整占空比從0%~99.6%變化，占空比值越大，燈亮的時(shí)間越長(zhǎng)。
（5）組頻率控制寄存器（Group frequency，GRPFREQ）：其功能是同時(shí)設(shè)置4位LED輸出信號(hào)的頻率，即改變LED閃爍的頻率。
（6）燈輸出狀態(tài)寄存器（LED driver outputstate，LEDOUT，地址為0x08h）：其功能是設(shè)置LED驅(qū)動(dòng)輸出的狀態(tài)，通過編程可以設(shè)置4位LED燈滅、亮、單個(gè)燈亮、4個(gè)LED燈閃爍。
2 C語(yǔ)言編程軟件設(shè)計(jì)[2、4、5]
2.1 寫PCA9633一個(gè)控制寄存器
PCA9633遵循I2C總線協(xié)議[3]，寫一個(gè)控制寄存器的時(shí)序如圖4所示。
主機(jī)與從機(jī)通信時(shí)，開始時(shí)主機(jī)先發(fā)起始信號(hào)，這個(gè)起始信號(hào)要滿足I2C協(xié)議的起始條件，然后是從機(jī)的寫地址，由圖2知從機(jī)的地址為0xa2h（寫）、0xa3h（讀），隨后是從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從機(jī)應(yīng)答后主機(jī)發(fā)送某一個(gè)控制寄存器的地址，從機(jī)再次應(yīng)答后，主機(jī)在發(fā)送控制寄存器的數(shù)據(jù)，從機(jī)收到后發(fā)送主機(jī)應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)送停止條件，這樣就結(jié)束一個(gè)控制寄存器的寫操作。
例如：寫某個(gè)寄存器操作定義函數(shù)名定義為write9633（），函數(shù)的功能描述如下：
void write9633（unsigned char address1，unsigned char address2，unsigned char info）
{
start（）；//起始信號(hào)writebyte（address1）；
//從機(jī)地址
clock（）；//應(yīng)答信號(hào)
writebyte（address2）；//寫MODE1寄存器地址
clock（）；
writebyte（info）；//寫MODE1寄存器數(shù)據(jù)
clock（）；
stop（）；//主機(jī)發(fā)停止信號(hào)
delay1（5000）；//延時(shí)
}
其中address1為從機(jī)地址，address2為控制寄存器地址，info為要寫入控制寄存器的數(shù)據(jù)。有關(guān)上述子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)可以參考I2C協(xié)議的編程，由于篇幅所限，不再詳述。
2.2 組控4位LED燈閃爍的主要程序
PCA9633控制寄存器的宏定義：
#define MODE1 0x00
#define MODE2 0x01
#define PWM0 0x02
#define PWM1 0x03
#define PWM2 0x04
#define PWM3 0x05
#define GRPPWM 0x06
#define GRPPFREQ0x07
#define LEDOUT 0x08
#define SUBADR1 0x09
#define SUBADR2 0x0A
#define SUBADR3 0x0B
#define ALLCALLADR 0x0C
sbit cs=P2^5；
write9633（0xa2，MODE1，0x00）；
//寫模式寄存器1，0xa2為從機(jī)地址
write9633（0xa2，MODE2，0x22）；
//寫模式寄存器2，cs=1時(shí)，LEDn高阻抗，燈不亮
write9633（oxa2，LEDOUT，0xff）；
write9633（0xa2，GRPPWM，0xa0）；
//改變占空因數(shù)，值越小，亮的時(shí)間越短
write9633（0xa2，GRPPFREQ，0xa0）；
//控制4個(gè)燈的閃爍頻率，值越小，閃爍越快
cs=0；//輸出使能
write9633（0xa2，PWM0，100）；
//100數(shù)值是燈的亮度，根據(jù)要求可以改變
write9633（0xa2，PWM1，100）；
write9633（0xa2，PWM2，100）；
write9633（0xa2，PWM3，100）；
程序里對(duì)MODE2寄存器的設(shè)置是基于LED輸出配置是OD門結(jié)構(gòu)，輸出配置如果是推拉輸出結(jié)構(gòu)，即輸出加FET驅(qū)動(dòng)時(shí)，模式2（MODE2）寄存器設(shè)置0x26h。
如果I2C總線上連接多個(gè)PCA9633，則可以使用LED呼叫地址，即上述程序里地址0xa2改為0xe0就可以了。這樣可以節(jié)約I2C總線操作指令。0xe0是系統(tǒng)上電默認(rèn)的值，也可以通過寫LED呼叫地址改變，通過寫指令write9633（0xa2，0x0c，0xb2）即改為0xb2。
2.3 實(shí)現(xiàn)呼吸燈的效果
循環(huán)改變亮度控制寄存器的數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)呼吸燈的效果，以從機(jī)地址0xa22為例說明，主要代碼如下：
for（i=0；i<255；i++）
{ write9633（0xa2，PWM0，i）；
write9633 （0xa2，PWM1，i）；
write9633（0xa2，PWM2，i）；
write9633（0xa2，PWM3，i）；
delay（500）；
}
3 結(jié)束語(yǔ)
PCA9633在LED控制方面性能顯著，操作方便。特別是為紅/綠/藍(lán)/琥珀（RGBA）色的混合應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。另外，它還有3個(gè)子呼地址可以實(shí)現(xiàn)特定的組響應(yīng)I2C總線。例如，可以允許所有的紅色LED燈亮或滅或?qū)崿F(xiàn)跑馬燈的效果，從而減少I2C指令。通過改變紅、黃、綠LED的輸出狀態(tài)，依據(jù)RGB混光原理來(lái)實(shí)現(xiàn)任意顏色的顯示。
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