樹莓派GPIO入門10-使用TLC5940芯片輸出多路PWM

在之前的章節(jié)，我們曾經(jīng)用樹莓派的IO口輸出不同調(diào)寬的PWM信號來控制LED燈的亮度。
本文使用芯片TLC5940來輸出多路PWM信號以同時(shí)控制多達(dá)16個(gè)LED的亮度。
在本文的基礎(chǔ)上你可以發(fā)揮想象，制作出各種有趣的彩燈效果。

最終效果TODO

視頻演示

硬件

TLC5940芯片 X 1
TLC5940芯片
LED X 3
2-3k電阻一只

原理說明

簡單的說，TLC5940是一個(gè)擁有16路輸出的LED驅(qū)動芯片，每一路輸出支持4096級！亮度調(diào)節(jié)。
老規(guī)矩，看一下它的引腳圖：
TLC5940的引腳圖
跟本文無關(guān)的內(nèi)容或設(shè)置在此不做說明，請自己查詢datasheet：

引腳功能OUT0-1516路PWM信號輸出（負(fù)極）VPRG指定工作模式，接GND是我們需要的PWM模式SIN串行移位輸入SCLK串行移位寄存器時(shí)鐘（上升沿有效）XLAT從移位寄存器寫入GS寄存器（下文介紹）時(shí)鐘（上升沿有效）BLANK當(dāng)設(shè)為高電平時(shí)，關(guān)閉所有輸出，GS計(jì)數(shù)器（下文介紹）也將重置IREF跟GND之間連接一個(gè)電阻，阻值決定了輸出電流的最大值GSCLKGS時(shí)鐘輸入（下文介紹）SOUT串行輸出，級聯(lián)多塊芯片時(shí)使用

先將BLANK設(shè)置為H，關(guān)閉所有輸出。

輸入各組亮度信息。跟我們之前學(xué)過的芯片一樣，這款芯片同樣是通過移位寄存器來輸入數(shù)據(jù)的。
移位寄存器用于傳送12bit X 16組PWM數(shù)值GSn(n=0-15)，共192bit。每組數(shù)據(jù)的值范圍是0-4095。
傳送順序是倒序的：GS15，GS14。。。GS0。先傳輸?shù)氖荗UT15的12位數(shù)據(jù)，其次是OUT14的12位數(shù)據(jù)。。。最后是OUT0的12位數(shù)據(jù)。
GSn決定了OUTn的PWM調(diào)寬。（GSn / 4095 = 0% - 100%）

192位數(shù)據(jù)全部傳送完畢后制造XLAT的上升沿，將移位寄存器里的數(shù)據(jù)寫入GS寄存器。

BLANK設(shè)置為L，打開所有輸出

準(zhǔn)備工作完畢，為了讓TLC5940芯片正常工作，還需要向GSCLK輸送時(shí)鐘信號。
啥是時(shí)鐘信號？簡單的說就是高低電平不停交替的信號，也稱作方波信號。
TLC5940會根據(jù)這個(gè)時(shí)鐘信號進(jìn)行從0-4095的計(jì)數(shù)（高低電平每交替一次數(shù)一次），一邊計(jì)數(shù)一邊檢查各GSn的設(shè)定值，一旦到達(dá)GSn的值，則切換OUTn的電平一直計(jì)數(shù)到4095為止，再從0開始重新計(jì)數(shù)。從0計(jì)數(shù)到4095就是一個(gè)高低電平的切換周期。所以我們給5940提供的時(shí)鐘頻率越快，最后輸出的PWM頻率就越快。最后輸出的PWM的頻率 = 時(shí)鐘信號的頻率 / 4095。
比如時(shí)鐘頻率是8M，則最后從各OUT口輸出的PWM頻率是8MHz / 4095 = 1.953KHz。
根據(jù)TLC5940的官方文檔，GSCLK可支持最高30MHz的時(shí)鐘頻率，也就是最高可以輸出7.3KHz的PWM信號。如果是控制LED的亮度，那么讓人眼感覺不到閃爍的最低頻率應(yīng)該是50Hz以上，所以我們應(yīng)該至少給GSCLK提供不低于50 X 4095 = 200KHz的方波。樹莓派Python的GPIO庫翻轉(zhuǎn)IO口的速度不高，實(shí)測速度只能達(dá)到60KHz，導(dǎo)致最后輸出的PWM頻率只有14Hz，會有明顯的閃爍感。但我們主要是為了說明原理，明白原理了可以用別的方法來實(shí)現(xiàn)功能，比如使用c語言的wiringPi庫的話效率會高不少，甚至可以使用外部的單片機(jī)或其他電路來產(chǎn)生高頻率的時(shí)鐘信號提供給TLC5940，這個(gè)作者也在探索中。以后有空再更新。

硬件連接

模塊1引腳模塊2引腳TLC5940VPRG樹莓派GPIO17TLC5940SIN樹莓派GPIO13TLC5940SCLK樹莓派GPIO19TLC5940XLAT樹莓派GPIO27TLC5940BLANK樹莓派GPIO23TLC5940IREF樹莓派GND(中間串聯(lián)一個(gè)2-3k的電阻)TLC5940SOUT樹莓派GPIO4TLC5940OUT0LED0負(fù)極TLC5940OUT1LED1負(fù)極TLC5940OUT2LED2負(fù)極TLC5940VCC樹莓派5VTLC5940GND樹莓派GNDLED0,1,2正極樹莓派5V

代碼（Python）

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120

#!/usr/bin/env python import RPi.GPIO as GPIOimport timeVPRG=17SIN=13SCLK=19XLAT=27BLANK=23DCPRG=18GSCLK=4# 傳輸GSData(0-4095)def setGSData(data):# print ""# print "S-----------setByte---------------:", hex(data)for bit in range(0,12):# 傳入的數(shù)字從高位到低位依次判斷是否為1，若為1則設(shè)置高電平，否則設(shè)置低電平# 判斷的方法是先向左移位，把要判斷的位移動到最高位然后跟0x800（1000 0000 0000）相與，# 如果結(jié)果仍然是0x80（1000 0000 0000）就表示最高位是1，否則最高位就是0if ((data<0x800 == 0x800):setBitData(True)# print "1",else:setBitData(False)# print "0",# print ""# print "E-----------setByte---------------"def setBitData(data):GPIO.output(SCLK, False)GPIO.output(SIN, data)GPIO.output(SCLK, True)# 輸出GSCLK時(shí)鐘信號def runGSCLK():i=0while(1):i+=1if i>=4096:# 注意，每次計(jì)數(shù)到4095時(shí)需要手動重置一次芯片的計(jì)數(shù)器GPIO.output(BLANK, True)#time.sleep(0.001);GPIO.output(BLANK, False)i=0else:GPIO.output(GSCLK, True)GPIO.output(GSCLK, False)try:GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setup(VPRG, GPIO.OUT)GPIO.setup(SIN, GPIO.OUT)GPIO.setup(SCLK, GPIO.OUT)GPIO.setup(XLAT, GPIO.OUT)GPIO.setup(BLANK, GPIO.OUT)GPIO.setup(DCPRG, GPIO.OUT)GPIO.setup(GSCLK, GPIO.OUT)# VPRG設(shè)置為L，使其工作在GS modeGPIO.output(VPRG, False)# BLANK設(shè)置為H，關(guān)閉所有輸出GPIO.output(BLANK, True)GPIO.output(DCPRG, True)# 傳送12bit X 16組PWM數(shù)值GSn(n=0-15)，共192bit# 每組數(shù)據(jù)的值范圍是0-4095# 因?yàn)槭峭ㄟ^移位寄存器傳輸，所以傳送順序是倒序的：GS15，GS14。。。GS0# GSn決定了OUTn的PWM調(diào)寬。（GSn / 4095 = 0% - 100%）setGSData(0) # GS15 本文不使用15-3號輸出，設(shè)為0setGSData(0) # GS14setGSData(0) # GS13setGSData(0) # GS12setGSData(0) # GS11setGSData(0) # GS10setGSData(0) # GS9setGSData(0) # GS8setGSData(0) # GS7setGSData(0) # GS6setGSData(0) # GS5setGSData(0) # GS4setGSData(0) # GS3# print "GS2"setGSData(4095) # GS2# print "GS1"setGSData(2500) # GS1# print "GS0"setGSData(1000) # GS0# 送完GS數(shù)據(jù)后，創(chuàng)造XLAT的上升沿，將移位寄存器的數(shù)據(jù)一次性送入GS寄存器GPIO.output(XLAT, False)GPIO.output(XLAT, True)# BLANK設(shè)置為L，打開所有輸出# GPIO.output(BLANK, False)# 準(zhǔn)備工作完畢，下面向GSCLK輸送時(shí)鐘信號（高低電平交互的方波信號）# TLC5940會根據(jù)這個(gè)時(shí)鐘信號進(jìn)行從0-4095的計(jì)數(shù)，一邊計(jì)數(shù)一邊檢查各GSn的設(shè)定值，一旦到達(dá)GSn的值，則切換OUTn的電平# 一直計(jì)數(shù)到4095為止，再從0開始重新計(jì)數(shù)。從0計(jì)數(shù)到4095就是一個(gè)高低電平的切換周期。# 所以我們給5940提供的時(shí)鐘頻率越快，最后輸出的PWM頻率就越快# 最后輸出的PWM的頻率 = 時(shí)鐘信號的頻率 / 4095# 比如時(shí)鐘頻率是8M，則最后從各OUT口輸出的PWM頻率是8MHz / 4095 = 1.953KHz# 根據(jù)TLC5940的官方文檔，GSCLK可支持最高30MHz的時(shí)鐘頻率，也就是最高可以輸出7.3KHz的PWM信號。# 如果是控制LED的亮度，那么讓人眼感覺不到閃爍的最低頻率應(yīng)該是50Hz以上，# 所以我們應(yīng)該至少給GSCLK提供不低于50 X 4095 = 200KHz的方波。# 樹莓派Python的GPIO庫翻轉(zhuǎn)IO口的速度不高，實(shí)測速度只能達(dá)到60KHz，# 導(dǎo)致最后輸出的PWM頻率只有14Hz，會有明顯的閃爍感runGSCLK()except KeyboardInterrupt:pass# 清理GPIO口GPIO.cleanup()

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