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。
led的结构与原理
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。（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2．5mm、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2．5mm、高5mm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。（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：
1）所有led共用一个阳极，每个led有一个阴极，总共四个引脚
2）所有led共用一个阴极，每个led有一个阳极，总共四个引脚
3）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。（adafruit industries）
如何生成多种颜色
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1000hz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48mhz arm＆reg； cortex＆reg；－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。（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：
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 （＆omega；）
在i ＝ 20ma的情况下使用该公式，结果是：rred （vf ＝ 2 v） ＝ 125＆omega；，rgreen ＝ rblue （vf ＝ 3．2v） ＝ 65＆omega；。
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15ma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＆omega；，rgreen ＝ rblue ＝ 93．3＆omega；。
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256kb闪存、32kb 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设计
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5mm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5mm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。（ 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。
编辑：wenwei来
