硬件和功能介绍

该设计包含一个旋转编码器、三个按键以及点阵LED（10*9）的HMI模块（Charlieplexing），为方便搭配不同的核心板，这个HMI模块需支持对核心板进行信息输入控制及核心板输出信息控制点阵LED的显示。为了尽可能少占用MCU核心板的IO管脚，在支持单片机直接控制的基础上，外加IO拓展器，可以直接使用I2C来控制板上所有外设。

模块设计思路、选型及框图介绍

板子主要元件并不多，主要是一个LED矩阵。为了方便手工焊接，我是用的是0805封装的LED。矩阵使用的是Charlieplexing的技术进行的设计，这样可以使用尽可能少的管脚控制尽可能多的LED。这个依赖于单片机输出引脚的三态特性，也就是说每个引脚都需要可以配置为：

输出：逻辑低

输出：逻辑高

输入：高阻抗

那么自然在选择IO拓展器的时候，就不能使用常见的TCA9555，因为TCA9555的输入模式自带了弱上拉。这个项目中我们使用另一款产品TCA9535.

模块原理图、PCB简单介绍

这里使用了10个引脚控制了90个LED。

除了直接输入的R0-10以及按键SW1-3, 编码器ABS以外，一般使用更推荐使用板上的I2C来进行通讯。TCA9535的INT引脚用来做中断识别，方便对编码器进行控制。

由于TCA9535最高支持电压是5V，因此VCC端口不要使用超过5V的电源进行供电。

打回来的电路板用烙铁先进行上锡，然后再涂抹助焊剂，摆上元件，上铁板烧，就可以完成焊接。

上面的板子实际上是第二版设计，因为在第一版设计中我遗漏了LED上的限流电阻。特别需要注意的是，任何LED点亮时，实际电路中串联的电阻都是两个，因此电阻的取值要在常规情况下除以2。这里我实际使用的阻值是150R。

调试软件介绍、关键代码片段及说明

模块制作好后，我们可以用任何一种支持I2C通讯的单片机来进行调试。当然使用更高级的树莓派也完全没有问题。这里我用的是一块普通的Arduino nano开发板。

代码比较简单，分为了两个部分，一部分是LED的驱动，我用两个嵌套循环实现了按顺序遍历矩阵中的所有LED：

  for (byte i = 1; i < LED_PIN_COUNT; i++) {
    for (byte j = 0; j < i; j++) {
      TCA.pinMode1(LED_PINS[i], OUTPUT);
      TCA.pinMode1(LED_PINS[j], OUTPUT);
      TCA.write1(LED_PINS[i], LOW);
      TCA.write1(LED_PINS[j], HIGH);
      delay(SCAN_DELAY);
      TCA.write1(LED_PINS[i], HIGH);
      TCA.write1(LED_PINS[j], LOW);
      delay(SCAN_DELAY);
      TCA.pinMode1(LED_PINS[i], INPUT);
      TCA.pinMode1(LED_PINS[j], INPUT);
    }
  }

从代码中也可以看到，我是通过将pinmode重新设置为INPUT的方式来关闭LED，因此引脚支持三态是十分重要的，如果自带上拉电阻，很可能导致部分LED无法关闭。

第二部分是输入部分。按键输入比较简单，直接在loop中轮询按键状态即可；但编码器部分就比较麻烦，比较科学的方法是使用中断来进行读取。TCA9535有一个中断引脚，但是由于TCA9535上任何一个输入模式引脚发生变化都会触发中断输出，这就导致上面的LED循环会频繁触发中断，并没有办法让中断引脚只监控编码器输入引脚。因此编码器的AB相我是通过电路板右边的引脚直接接入单片机的。

  if (!TCA.read1(SW_PINS[0])) {
    Serial.println("Encoder Press");
  } else if (!TCA.read1(SW_PINS[1])) {
    Serial.println("BTN 1 Press");
  } else if (!TCA.read1(SW_PINS[2])) {
    Serial.println("BTN 2 Press");
  } else if (!TCA.read1(SW_PINS[3])) {
    Serial.println("BTN 3 Press");
  } else if (encoder_flag == 1) {
    encoder_flag = 0;
    Serial.println("Encoder +");
  } else if (encoder_flag == 2) {
    encoder_flag = 0;
    Serial.println("Encoder -");
  }

模块调通的功能展示图

可以看到在LED扫描的同时，按动按键以及转动编码器，也可以同步看到串口输出。

心得体会

时隔一年再次参加电子森林的活动，活动依旧创意十足，诚意满满！