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，或者由其獨立的PWM控制器的值和組PWM控制器的值確定。LED驅(qū)動輸出的信號頻率為97 kHz，占空比在0%~99.6%可調(diào)。本文介紹PCA9633的I2C協(xié)議，重點介紹它與CPU的硬件電路圖以及通過C語言編程實現(xiàn)I2C時序，驅(qū)動LED燈發(fā)光，最后給出應(yīng)用實例。

　　關(guān)鍵詞： PCA9633；RGB LED；I2C時序

0 引言

　　在酒店、舞臺、娛樂場、咖啡廳、商場、生日宴會、家庭影院、節(jié)慶日等室內(nèi)外場所，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、節(jié)電、高亮度、多種發(fā)光顏色、響應(yīng)速度快和驅(qū)動電壓低等優(yōu)點，在節(jié)省能源的同時還可以通過PWM器件調(diào)節(jié)LED發(fā)光強度，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

　　1.1 PCA9633的特點[2-3]

　　PCA9633是I2C總線控制的可編程PWM輸出的4位LED驅(qū)動器件，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，每路驅(qū)動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、可編程每路灰度級別，同時支持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個灰度級別。

　　（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輸出對四路PWM輸出整體亮度256級調(diào)節(jié)。

　　（5）4位輸出可編程設(shè)置為推拉輸出（在5 V時，灌電流25 mA，拉電流10 mA）。

　　（6）7個硬件地址設(shè)定引腳，同一I2C總線最多可接126片。

　　（7）每片PCA9633有4個可編程軟件地址：一個全部響應(yīng)地址和三個子地址。

　　（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個地址輸入引腳；

　　（2）LED3～LED0：4位LED輸出驅(qū)動引腳；

　　（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總線的時鐘輸入引腳。

　　1.2 PCA9633電路連接圖[1-3]

　　單片機與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）：單片機與PCA9633通信的數(shù)據(jù)輸入/輸出線。

　　（2）串行時鐘輸入（SCL）：單片機與PCA9633通信時的同步時鐘。

　　（3）片選輸入（OE）：輸出使能端，當(dāng)OE有效時，PCA9633的LEDn輸出有效。

　　PCA9633的每一路LED驅(qū)動輸出電流最大25 mA，當(dāng)RGB燈的工作電流不大時，可以直接接輸出，如果RGB的電流大，可以在PCA9633的LED驅(qū)動輸出端加場效應(yīng)管，例如AP2306，可以提高驅(qū)動能力，輸出的連接電路如圖2所示。根據(jù)需要，LED可以串接多個，多個LED串接時，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)動器，與主機通信遵循I2C協(xié)議的格式，主機先發(fā)出啟動信號，隨后發(fā)出從機（PCA9633）的地址，封裝為16腳的PCA9633，有7個地址引腳分別為A0~A6，從機地址最多有27，即128個，在這128個地址中，其中軟件復(fù)位地址（0x06）和LED呼叫地址（0x0C）這兩個地址不能作為從機地址。

　　（1）正常的I2C-BUS地址

　　封裝為16腳的PCA9633從機地址的組成如圖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寄存器設(shè)置為全呼叫時，那么I2C總線上所有PCA9633器件都可以在同一時刻被尋址。上電時，全呼叫寄存器是使能的，默認(rèn)值是0xE0h或0xE1h，當(dāng)主機發(fā)送E0h或E1h時，PCA9633會出一個應(yīng)答信號，所以全呼叫地址的值0xE0h和0xE1h不能作為從機地址。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個子呼叫地址為0x09h，0x0ah，0x0bh。上電時，3個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個值可以作為從機地址。

　　（4）Software Reset IIC-bus address軟件復(fù)位地址

　　當(dāng)PCA9633需要主機軟件編程復(fù)位時，可以使用這個地址，它的地址為0x06h。

　　1.3.2 PCA9633控制寄存器[2]

　　PCA9633有13個控制寄存器，通過設(shè)置這些寄存器來改變4路LED輸出的狀態(tài)，可以實現(xiàn)獨立控制或整體控制4路LED亮度和閃爍。每個寄存器的數(shù)據(jù)位詳細(xì)說明可以參閱它的數(shù)據(jù)手冊。

　　（1）MODE1-模式1寄存器（地址0x00h）：主要用來設(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）：功能是同時設(shè)置4個LED燈亮的時間，通過設(shè)置GRPPWM的值來調(diào)整占空比從0%~99.6%變化，占空比值越大，燈亮的時間越長。

　　（5）組頻率控制寄存器（Group frequency，GRPFREQ）：其功能是同時設(shè)置4位LED輸出信號的頻率，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)動輸出的狀態(tài)，通過編程可以設(shè)置4位LED燈滅、亮、單個燈亮、4個LED燈閃爍。

2 C語言編程軟件設(shè)計[2、4、5]

　　2.1 寫PCA9633一個控制寄存器

　　PCA9633遵循I2C總線協(xié)議[3]，寫一個控制寄存器的時序如圖4所示。

　　主機與從機通信時，開始時主機先發(fā)起始信號，這個起始信號要滿足I2C協(xié)議的起始條件，然后是從機的寫地址，由圖2知從機的地址為0xa2h（寫）、0xa3h（讀），隨后是從機發(fā)送應(yīng)答信號，從機應(yīng)答后主機發(fā)送某一個控制寄存器的地址，從機再次應(yīng)答后，主機在發(fā)送控制寄存器的數(shù)據(jù)，從機收到后發(fā)送主機應(yīng)答信號，主機收到應(yīng)答信號后發(fā)送停止條件，這樣就結(jié)束一個控制寄存器的寫操作。

　　例如：寫某個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writebyte（address1）；

　　//從機地址

　　clock（）；//應(yīng)答信號

　　writebyte（address2）；//寫MODE1寄存器地址

　　clock（）；

　　writebyte（info）；//寫MODE1寄存器數(shù)據(jù)

　　clock（）；

　　stop（）；//主機發(fā)停止信號

　　delay1（5000）；//延時

　　}

　　其中address1為從機地址，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為從機地址

　　write9633（0xa2，MODE2，0x22）；

　　//寫模式寄存器2，cs=1時，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，亮的時間越短

　　write9633（0xa2，GRPPFREQ，0xa0）；

　　//控制4個燈的閃爍頻率，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)動時，模式2（MODE2）寄存器設(shè)置0x26h。

　　如果I2C總線上連接多個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，可以實現(xiàn)呼吸燈的效果，以從機地址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

　　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)用進行了優(yōu)化。另外，它還有3個子呼地址可以實現(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混光原理來實現(xiàn)任意顏色的顯示。

　　參考文獻

　　[1] 倪曉軍，章韻.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

　　[2] 恩智浦.PCA9633 data sheet[EB/OL].（2006）[2014-11-14].http：//www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/PCA9633.pdf.

　　[3] 何立民.I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.

　　[4] 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

　　[5] 徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.