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：
- 所有 LED 共用一个阳极，每个 LED 有一个阴极，总共四个引脚
- 所有 LED 共用一个阴极，每个 LED 有一个阳极，总共四个引脚
- 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：
VDD = 5 伏
VOL = ATSAMC21J18A 的输出低压 = 0.1 x VDD = 0.5 伏
VF = 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：RRED (VF = 2 V) = 125 Ω，RGREEN = RBLUE (VF = 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 RRED = 173.3 Ω，RGREEN = RBLUE = 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。
