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輸出的狀態可以設置為沒有PWM（Pulse Width Modulation）控制的關或開，或者由其獨立的PWM控制器的值和組PWM控制器的值確定。LED驅動輸出的信號頻率為97 kHz，占空比在0%~99.6%可調。本文介紹PCA9633的I2C協議，重點介紹它與CPU的硬件電路圖以及通過C語言編程實現I2C時序，驅動LED燈發光，最后給出應用實例。
關鍵詞： 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、節慶日等室內外場所，為了展示情調裝飾，烘托氣氛，經常看到RGB LED燈的大量使用。LED是一種性能優良的顯示器件，具有壽命長、節電、高亮度、多種發光顏色、響應速度快和驅動電壓低等優點，在節省能源的同時還可以通過PWM器件調節LED發光強度，依據RGB三原色混光原理調出多種顏色，再通過MCU智能控制實現多種顯示效果。本文主要是介紹飛利浦公司生產的一款RGB LED控制器PCA9633的應用。
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驅動器件，主要應用LED RGB紅光/藍光/綠光/琥珀色的混光，性能指標如下：
（1）4路LED驅動，每路驅動可以通過軟件編程為四種狀態，分別是：開、關、可編程PWM閃爍控制輸出、可編程每路灰度級別，同時支持4路整體亮度調節的PWM混光輸出。
（2）調光控制，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級調節。
（5）4位輸出可編程設置為推拉輸出（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：一個全部響應地址和三個子地址。
（8）內置25 MHz晶振和上電復位電路，也可通過I2C總線實現軟件復位。
（9）SDA/SCL內置噪聲濾波器，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總線的數據輸入/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）串行數據輸入/輸出（SDA）：單片機與PCA9633通信的數據輸入/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OE有效時，PCA9633的LEDn輸出有效。
PCA9633的每一路LED驅動輸出電流最大25 mA，當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驅動輸出端加場效應管，例如AP2306，可以提高驅動能力，輸出的連接電路如圖2所示。根據需要，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），是通過設置其相關的寄存器完成的，下面介紹其有關寄存器的功能與設置方法。
1.3.1 器件地址
PCA9633是4位I2C總線的LED驅動器，與主機通信遵循I2C協議的格式，主機先發出啟動信號，隨后發出從機（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PCA9633芯片的控制寄存器中的某個寄存器設置為全呼叫時，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，默認值是0xE0h或0xE1h，當主機發送E0h或E1h時，PCA9633會出一個應答信號，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軟件復位地址
當PCA9633需要主機軟件編程復位時，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，通過設置這些寄存器來改變4路LED輸出的狀態，可以實現獨立控制或整體控制4路LED亮度和閃爍。每個寄存器的數據位詳細說明可以參閱它的數據手冊。
（1）MODE1-模式1寄存器（地址0x00h）：主要用來設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）：主要功能是設置燈的輸出邏輯是否反轉、配置4位LED是OD門還是推拉輸出結構輸出，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。
（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，占空比可調的矩形波，通過設置亮度控制寄存器的值，改變占空比，調節LED燈的亮度，占空比值越大，燈越亮。
（4）組控占空比因數寄存器（Group duty cycle control，GRPPWM，地址0x06h）：功能是同時設置4個LED燈亮的時間，通過設置GRPPWM的值來調整占空比從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）燈輸出狀態寄存器（LED driver outputstate，LEDOUT，地址為0x08h）：其功能是設置LED驅動輸出的狀態，通過編程可以設置4位LED燈滅、亮、單個燈亮、4個LED燈閃爍。
2 C語言編程軟件設計[2、4、5]
2.1 寫PCA9633一個控制寄存器
PCA9633遵循I2C總線協議[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，開始時主機先發起始信號，這個起始信號要滿足I2C協議的起始條件，然后是從機的寫地址，由圖2知從機的地址為0xa2h（寫）、0xa3h（讀），隨后是從機發送應答信號，從機應答后主機發送某一個控制寄存器的地址，從機再次應答后，主機在發送控制寄存器的數據，從機收到后發送主機應答信號，主機收到應答信號后發送停止條件，這樣就結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名定義為write9633（），函數的功能描述如下：
void write9633（unsigned char address1，unsigned char address2，unsigned char info）
{
start（）；//起始信號writebyte（address1）；
//從機地址
clock（）；//應答信號
writebyte（address2）；//寫MODE1寄存器地址
clock（）；
writebyte（info）；//寫MODE1寄存器數據
clock（）；
stop（）；//主機發停止信號
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據。有關上述子函數的實現可以參考I2C協議的編程，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，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數值是燈的亮度，根據要求可以改變
write9633（0xa2，PWM1，100）；
write9633（0xa2，PWM2，100）；
write9633（0xa2，PWM3，100）；
程序里對MODE2寄存器的設置是基于LED輸出配置是OD門結構，輸出配置如果是推拉輸出結構，即輸出加FET驅動時，模式2（MODE2）寄存器設置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。這樣可以節約I2C總線操作指令。0xe0是系統上電默認的值，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 實現呼吸燈的效果
循環改變亮度控制寄存器的數值，可以實現呼吸燈的效果，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 結束語
PCA9633在LED控制方面性能顯著，操作方便。特別是為紅/綠/藍/琥珀（RGBA）色的混合應用進行了優化。另外，它還有3個子呼地址可以實現特定的組響應I2C總線。例如，可以允許所有的紅色LED燈亮或滅或實現跑馬燈的效果，從而減少I2C指令。通過改變紅、黃、綠LED的輸出狀態，依據RGB混光原理來實現任意顏色的顯示。
參考文獻
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