樹莓派GPIO入門10-使用TLC5940芯片輸出多路PWM

在之前的章節，我們曾經用樹莓派的IO口輸出不同調寬的PWM信號來控制LED燈的亮度。
本文使用芯片TLC5940來輸出多路PWM信號以同時控制多達16個LED的亮度。
在本文的基礎上你可以發揮想象，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是一個擁有16路輸出的LED驅動芯片，每一路輸出支持4096級！亮度調節。
老規矩，看一下它的引腳圖：
TLC5940的引腳圖
跟本文無關的內容或設置在此不做說明，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串行移位寄存器時鐘（上升沿有效）XLAT從移位寄存器寫入GS寄存器（下文介紹）時鐘（上升沿有效）BLANK當設為高電平時，關閉所有輸出，GS計數器（下文介紹）也將重置IREF跟GND之間連接一個電阻，阻值決定了輸出電流的最大值GSCLKGS時鐘輸入（下文介紹）SOUT串行輸出，級聯多塊芯片時使用

先將BLANK設置為H，關閉所有輸出。

輸入各組亮度信息。跟我們之前學過的芯片一樣，這款芯片同樣是通過移位寄存器來輸入數據的。
移位寄存器用于傳送12bit X 16組PWM數值GSn(n=0-15)，共192bit。每組數據的值范圍是0-4095。
傳送順序是倒序的：GS15，GS14。。。GS0。先傳輸的是OUT15的12位數據，其次是OUT14的12位數據。。。最后是OUT0的12位數據。
GSn決定了OUTn的PWM調寬。（GSn / 4095 = 0% - 100%）

192位數據全部傳送完畢后制造XLAT的上升沿，將移位寄存器里的數據寫入GS寄存器。

BLANK設置為L，打開所有輸出

準備工作完畢，為了讓TLC5940芯片正常工作，還需要向GSCLK輸送時鐘信號。
啥是時鐘信號？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會根據這個時鐘信號進行從0-4095的計數（高低電平每交替一次數一次），一邊計數一邊檢查各GSn的設定值，一旦到達GSn的值，則切換OUTn的電平一直計數到4095為止，再從0開始重新計數。從0計數到4095就是一個高低電平的切換周期。所以我們給5940提供的時鐘頻率越快，最后輸出的PWM頻率就越快。最后輸出的PWM的頻率 = 時鐘信號的頻率 / 4095。
比如時鐘頻率是8M，則最后從各OUT口輸出的PWM頻率是8MHz / 4095 = 1.953KHz。
根據TLC5940的官方文檔，GSCLK可支持最高30MHz的時鐘頻率，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該是50Hz以上，所以我們應該至少給GSCLK提供不低于50 X 4095 = 200KHz的方波。樹莓派Python的GPIO庫翻轉IO口的速度不高，實測速度只能達到60KHz，導致最后輸出的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現功能，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或其他電路來產生高頻率的時鐘信號提供給TLC5940，這個作者也在探索中。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(中間串聯一個2-3k的電阻)TLC5940SOUT樹莓派GPIO4TLC5940OUT0LED0負極TLC5940OUT1LED1負極TLC5940OUT2LED2負極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):# 傳入的數字從高位到低位依次判斷是否為1，若為1則設置高電平，否則設置低電平# 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時鐘信號def runGSCLK():i=0while(1):i+=1if i>=4096:# 注意，每次計數到4095時需要手動重置一次芯片的計數器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設置為L，使其工作在GS modeGPIO.output(VPRG, False)# BLANK設置為H，關閉所有輸出GPIO.output(BLANK, True)GPIO.output(DCPRG, True)# 傳送12bit X 16組PWM數值GSn(n=0-15)，共192bit# 每組數據的值范圍是0-4095# 因為是通過移位寄存器傳輸，所以傳送順序是倒序的：GS15，GS14。。。GS0# GSn決定了OUTn的PWM調寬。（GSn / 4095 = 0% - 100%）setGSData(0) # GS15 本文不使用15-3號輸出，設為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數據后，創造XLAT的上升沿，將移位寄存器的數據一次性送入GS寄存器GPIO.output(XLAT, False)GPIO.output(XLAT, True)# BLANK設置為L，打開所有輸出# GPIO.output(BLANK, False)# 準備工作完畢，下面向GSCLK輸送時鐘信號（高低電平交互的方波信號）# TLC5940會根據這個時鐘信號進行從0-4095的計數，一邊計數一邊檢查各GSn的設定值，一旦到達GSn的值，則切換OUTn的電平# 一直計數到4095為止，再從0開始重新計數。從0計數到4095就是一個高低電平的切換周期。# 所以我們給5940提供的時鐘頻率越快，最后輸出的PWM頻率就越快# 最后輸出的PWM的頻率 = 時鐘信號的頻率 / 4095# 比如時鐘頻率是8M，則最后從各OUT口輸出的PWM頻率是8MHz / 4095 = 1.953KHz# 根據TLC5940的官方文檔，GSCLK可支持最高30MHz的時鐘頻率，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該是50Hz以上，# 所以我們應該至少給GSCLK提供不低于50 X 4095 = 200KHz的方波。# 樹莓派Python的GPIO庫翻轉IO口的速度不高，實測速度只能達到60KHz，# 導致最后輸出的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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