STM32利用GPIO复现查理复用

　　最近沉迷抖音，无意看到点灯大师的点灯操作，发现了一种有趣的LED控制技术——查理复用(Charlieplexing)。通过这种技术，可以用n个GPIO引脚控制n×(n-1)个LED。本文将详细记录我的学习过程、实现方案以及遇到的问题和解决方法。

查理复用原理

这里不赘述，就想更新一下😎
这里已经足够详细，简单来讲即将LED反并联连接。这里更加详细。

　　在本文中我们将利用STM32的GPIO引脚三态特性（输出高、输出低、高阻输入）来控制多个LED的技术。其核心思想是：

每个LED连接在两个不同的GPIO引脚之间
通过控制引脚的电平状态决定LED是否导通
任何时候只允许一个电流路径存在

硬件设计

电路原理图

原理图

以下电路连接方式以及真值表：

连接方式

Num	GPIO
LED1	PA0(+) → PA1(-)
LED2	PA1(+) → PA0(-)
LED3	PA0(+) → PA2(-)
LED4	PA2(+) → PA0(-)
LED5	PA1(+) → PA2(-)
LED6	PA2(+) → PA1(-)

真值表

realValue

驱动代码部分

已模块封装，便于扩展更多LED。代码需在最后一行留空，否则Keil编译会有警告。

CharlieLED.h

#ifndef __CHARLIELED_H
#define __CHARLIELED_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

typedef enum {
    LED_1,  // PA0 + PA1 
    LED_2,  // PA1 + PA0
    LED_3,  // PA0 + PA2
    LED_4,  // PA2 + PA0
    LED_5,  // PA1 + PA2
    LED_6   // PA2 + PA1
} CharlieLED;

void Set_CharlieLED(CharlieLED led, FunctionalState state);

#endif

CharlieLED.c

#include "CharlieLED.h"

// FunctionalState 是一个枚举类型，用于表示功能状态的开启或关闭
void Set_CharlieLED(CharlieLED led, FunctionalState state)
{
    static const struct 
        {
        uint16_t anode_pin;
        uint16_t cathode_pin;
        } led_map[6] = {
        {GPIO_Pin_0, GPIO_Pin_1}, // LED1
        {GPIO_Pin_1, GPIO_Pin_0}, // LED2
        {GPIO_Pin_0, GPIO_Pin_2}, // LED3
        {GPIO_Pin_2, GPIO_Pin_0}, // LED4
        {GPIO_Pin_1, GPIO_Pin_2}, // LED5
        {GPIO_Pin_2, GPIO_Pin_1}  // LED6
    };

    // 初始化  1. 先全部设为高阻态（安全隔离）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 默认保持彻底高阻态

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 判断是否点亮
    if (state == ENABLE)
    {
         // 2. 配置阳极（推挽输出高）
        GPIO_SetBits(GPIOA, led_map[led].anode_pin);   // 高电平
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = led_map[led].anode_pin;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

         // 3. 配置阴极（推挽输出低）
        GPIO_ResetBits(GPIOA, led_map[led].cathode_pin); // 低电平
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = led_map[led].cathode_pin;
        GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    }
}

学习笔记

1️⃣. 为何不使用开漏输出而是推挽输出？
　　推挽输出首选是因为它内置了完整的驱动能力，高电平时通过PMOS强上拉，低电平时通过NMOS强下拉，无需外接元件。而开漏输出在高电平时依赖外部上拉电阻，会导致驱动能力不足、电路复杂化，且在多LED系统中可能引发电流路径冲突。
　　在驱动实现中，推挽输出相比开漏输出能直接提供高/低电平驱动能力，无需外接上拉电阻，可双向电流快速切换LED状态，降低功耗并提高响应速度，同时简化电路设计（省去上拉网络）。直白来讲，推挽输出对IO有绝对的控制权。

2️⃣. 为什么必须用高阻态？
　　在查理复用中，高阻态是确保LED精确控制的关键。高阻态可以彻底断开引脚，防止非目标LED因漏电微亮，通过GPIO_Mode_IN_FLOATING实现真正电气隔离，确保每次只有一条确定的电流路径。

3️⃣. 切换机制是怎样的？
　　首先将所有引脚默认设为高阻态（电气隔离），然后配置目标阳极为推挽输出高，最后设置阴极为推挽输出低。

4️⃣. 如何进行扩展，软件应该怎样实现？
　　可以知道该原理为n个GPIO可控制n×(n-1)个LED，沿用二维数组存储引脚组合。然后需先建立引脚映射表，然后加以扩展，如动态扫描（定时器中断控制）、PWM 调光（呼吸灯、亮度渐变）、矩阵键盘（输入检测）以及多路 ADC 模拟信号采集等。查理复用的核心思想是 “分时复用 + 三态控制”，只要灵活运用，可以用极少的 GPIO 实现复杂的交互功能！

5️⃣. 多路 ADC 模拟信号采集具体方式？
　　利用GPIO的三态特性（高电平、低电平、高阻态）分时切换多个模拟开关，将不同传感器轮流连接到同一路ADC上。
　　例如，3个GPIO通过组合控制可管理6个传感器——当GPIO1输出高、GPIO2输出低、GPIO3设为高阻时，选通传感器1；切换其他组合即可选通其他传感器。每次仅一个传感器被连接，ADC分时读取各信号。其关键点在于：
　　🟢通过GPIO状态组合动态控制模拟开关；
　　🔵严格分时避免信号冲突；
　　🟣切换后需短暂延时确保信号稳定。虽以最少引脚实现多路采集，但需注意抗干扰和时序控制。
一句话总结：通过动态切换GPIO输入/输出状态或控制模拟开关，实现多路模拟信号的分时采集。