摘 要：PCA9633是一款通过I2C总线控制的4路LED控制芯片，每一路LED输出的状态可以设置为没有PWM（Pulse Width Modulation）控制的关或开，或者由其独立的PWM控制器的值和组PWM控制器的值确定。LED驱动输出的信号频率为97 kHz，占空比在0%~99.6%可调。本文介绍PCA9633的I2C协议，重点介绍它与CPU的硬件电路图以及通过C语言编程实现I2C时序，驱动LED灯发光，最后给出应用实例。
关键词： PCA9633；RGB LED；I2C时序
0 引言
在酒店、舞台、娱乐场、咖啡厅、商场、生日宴会、家庭影院、节庆日等室内外场所，为了展示情调装饰，烘托气氛，经常看到RGB LED灯的大量使用。LED是一种性能优良的显示器件，具有寿命长、节电、高亮度、多种发光颜色、响应速度快和驱动电压低等优点，在节省能源的同时还可以通过PWM器件调节LED发光强度，依据RGB三原色混光原理调出多种颜色，再通过MCU智能控制实现多种显示效果。本文主要是介绍飞利浦公司生产的一款RGB LED控制器PCA9633的应用。
1 PCA9633芯片的原理及特点
1.1 PCA9633的特点[2-3]
PCA9633是I2C总线控制的可编程PWM输出的4位LED驱动器件，主要应用LED RGB红光/蓝光/绿光/琥珀色的混光，性能指标如下：
（1）4路LED驱动，每路驱动可以通过软件编程为四种状态，分别是：开、关、可编程PWM闪烁控制输出、可编程每路灰度级别，同时支持4路整体亮度调节的PWM混光输出。
（2）调光控制，PWM输出频率97 kHz，每路有256个灰度级别。
（3）闪烁控制，PWM可编程频率范围0.093 Hz~24 Hz，占空比可编程范围0%~99.6%。
（4）可通过190 Hz的PWM输出对四路PWM输出整体亮度256级调节。
（5）4位输出可编程设置为推拉输出（在5 V时，灌电流25 mA，拉电流10 mA）。
（6）7个硬件地址设定引脚，同一I2C总线最多可接126片。
（7）每片PCA9633有4个可编程软件地址：一个全部响应地址和三个子地址。
（8）内置25 MHz晶振和上电复位电路，也可通过I2C总线实现软件复位。
（9）SDA/SCL内置噪声滤波器，支持1 MHz的I2C快速模式。
（10）支持热插入，低待机电流，支持电压范围：2.3~5.5 V。
其引脚图如图1所示。
引脚描述：
（1）A6～A0：7个地址输入引脚；
（2）LED3～LED0：4位LED输出驱动引脚；
（3）OE：输出使能引脚，低电平有效；
（4）Vss，VDD：分别是地和电源；
（5）SDA：I2C总线的数据输入/输出引脚；
（6）SCL：I2C总线的时钟输入引脚。
1.2 PCA9633电路连接图[1-3]
单片机与PCA9633芯片的连接采用I2C总线的方式，I2C接口引脚描述：
（1）串行数据输入/输出（SDA）：单片机与PCA9633通信的数据输入/输出线。
（2）串行时钟输入（SCL）：单片机与PCA9633通信时的同步时钟。
（3）片选输入（OE）：输出使能端，当OE有效时，PCA9633的LEDn输出有效。
PCA9633的每一路LED驱动输出电流最大25 mA，当RGB灯的工作电流不大时，可以直接接输出，如果RGB的电流大，可以在PCA9633的LED驱动输出端加场效应管，例如AP2306，可以提高驱动能力，输出的连接电路如图2所示。根据需要，LED可以串接多个，多个LED串接时，要考虑LED的管压降，所以要提高LED的电源电压。为了增加I2C总线的通信距离，增加PCA9600驱动器。硬件电路连接图见图2。
1.3 PCA9633芯片寄存器功能描述[2]
PCA9633对RGB LED灯的控制（亮度，明暗、闪烁，灯的整体控制），是通过设置其相关的寄存器完成的，下面介绍其有关寄存器的功能与设置方法。
1.3.1 器件地址
PCA9633是4位I2C总线的LED驱动器，与主机通信遵循I2C协议的格式，主机先发出启动信号，随后发出从机（PCA9633）的地址，封装为16脚的PCA9633，有7个地址引脚分别为A0~A6，从机地址最多有27，即128个，在这128个地址中，其中软件复位地址（0x06）和LED呼叫地址（0x0C）这两个地址不能作为从机地址。
（1）正常的I2C-BUS地址
封装为16脚的PCA9633从机地址的组成如图3所示，最高7位是地址线，最低位是读写控制位，如果是读操作最低位为“1”，若是写操作最低位为“0”。还有一些地址是保留的，最好不要设置为从机地址，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，功能是当PCA9633芯片的控制寄存器中的某个寄存器设置为全呼叫时，那么I2C总线上所有PCA9633器件都可以在同一时刻被寻址。上电时，全呼叫寄存器是使能的，默认值是0xE0h或0xE1h，当主机发送E0h或E1h时，PCA9633会出一个应答信号，所以全呼叫地址的值0xE0h和0xE1h不能作为从机地址。全呼地址的值是可以通过I2C总线编程的。
（3）LED Sub Call IIC-bus address子呼叫地址
PCA9633有3个子呼叫地址寄存器，可以通过I2C总线设置呼叫总线上的任一PCA9633器件，3个子呼叫地址为0x09h，0x0ah，0x0bh。上电时，3个子地址寄存器为默认的值（写操作是0xE2h，读操作是0xE3h）、（写操作是0xE4h，读操作是0xE5h）、（写操作是0xE8h，读操作是0xE9h）；初始状态下子呼叫寄存器是禁止使能的，所以这6个值可以作为从机地址。
（4）Software Reset IIC-bus address软件复位地址
当PCA9633需要主机软件编程复位时，可以使用这个地址，它的地址为0x06h。
1.3.2 PCA9633控制寄存器[2]
PCA9633有13个控制寄存器，通过设置这些寄存器来改变4路LED输出的状态，可以实现独立控制或整体控制4路LED亮度和闪烁。每个寄存器的数据位详细说明可以参阅它的数据手册。
（1）MODE1-模式1寄存器（地址0x00h）：主要用来设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）：主要功能是设置灯的输出逻辑是否反转、配置4位LED是OD门还是推拉输出结构输出，以及输出禁止时4位LED输出是高电平、低电平还是高阻状态。
（3）PWMx（x可以取值0，1，2，3）-单个LED灯亮度控制寄存器（地址分别是0x02h，0x03h，0x04h，0x05h）：4路LED输出控制信号是频率为97 kHz，占空比可调的矩形波，通过设置亮度控制寄存器的值，改变占空比，调节LED灯的亮度，占空比值越大，灯越亮。
（4）组控占空比因数寄存器（Group duty cycle control，GRPPWM，地址0x06h）：功能是同时设置4个LED灯亮的时间，通过设置GRPPWM的值来调整占空比从0%~99.6%变化，占空比值越大，灯亮的时间越长。
（5）组频率控制寄存器（Group frequency，GRPFREQ）：其功能是同时设置4位LED输出信号的频率，即改变LED闪烁的频率。
（6）灯输出状态寄存器（LED driver outputstate，LEDOUT，地址为0x08h）：其功能是设置LED驱动输出的状态，通过编程可以设置4位LED灯灭、亮、单个灯亮、4个LED灯闪烁。
2 C语言编程软件设计[2、4、5]
2.1 写PCA9633一个控制寄存器
PCA9633遵循I2C总线协议[3]，写一个控制寄存器的时序如图4所示。
主机与从机通信时，开始时主机先发起始信号，这个起始信号要满足I2C协议的起始条件，然后是从机的写地址，由图2知从机的地址为0xa2h（写）、0xa3h（读），随后是从机发送应答信号，从机应答后主机发送某一个控制寄存器的地址，从机再次应答后，主机在发送控制寄存器的数据，从机收到后发送主机应答信号，主机收到应答信号后发送停止条件，这样就结束一个控制寄存器的写操作。
例如：写某个寄存器操作定义函数名定义为write9633（），函数的功能描述如下：
void write9633（unsigned char address1，unsigned char address2，unsigned char info）
{
start（）；//起始信号writebyte（address1）；
//从机地址
clock（）；//应答信号
writebyte（address2）；//写MODE1寄存器地址
clock（）；
writebyte（info）；//写MODE1寄存器数据
clock（）；
stop（）；//主机发停止信号
delay1（5000）；//延时
}
其中address1为从机地址，address2为控制寄存器地址，info为要写入控制寄存器的数据。有关上述子函数的实现可以参考I2C协议的编程，由于篇幅所限，不再详述。
2.2 组控4位LED灯闪烁的主要程序
PCA9633控制寄存器的宏定义：
#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）；
//写模式寄存器1，0xa2为从机地址
write9633（0xa2，MODE2，0x22）；
//写模式寄存器2，cs=1时，LEDn高阻抗，灯不亮
write9633（oxa2，LEDOUT，0xff）；
write9633（0xa2，GRPPWM，0xa0）；
//改变占空因数，值越小，亮的时间越短
write9633（0xa2，GRPPFREQ，0xa0）；
//控制4个灯的闪烁频率，值越小，闪烁越快
cs=0；//输出使能
write9633（0xa2，PWM0，100）；
//100数值是灯的亮度，根据要求可以改变
write9633（0xa2，PWM1，100）；
write9633（0xa2，PWM2，100）；
write9633（0xa2，PWM3，100）；
程序里对MODE2寄存器的设置是基于LED输出配置是OD门结构，输出配置如果是推拉输出结构，即输出加FET驱动时，模式2（MODE2）寄存器设置0x26h。
如果I2C总线上连接多个PCA9633，则可以使用LED呼叫地址，即上述程序里地址0xa2改为0xe0就可以了。这样可以节约I2C总线操作指令。0xe0是系统上电默认的值，也可以通过写LED呼叫地址改变，通过写指令write9633（0xa2，0x0c，0xb2）即改为0xb2。
2.3 实现呼吸灯的效果
循环改变亮度控制寄存器的数值，可以实现呼吸灯的效果，以从机地址0xa22为例说明，主要代码如下：
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 结束语
PCA9633在LED控制方面性能显著，操作方便。特别是为红/绿/蓝/琥珀（RGBA）色的混合应用进行了优化。另外，它还有3个子呼地址可以实现特定的组响应I2C总线。例如，可以允许所有的红色LED灯亮或灭或实现跑马灯的效果，从而减少I2C指令。通过改变红、黄、绿LED的输出状态，依据RGB混光原理来实现任意颜色的显示。
参考文献
[1] 倪晓军，章韵.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2009.
[2] 恩智浦.PCA9633 data sheet[EB/OL].（2006）[2014-11-14].http：//www.cn.nxp.com/documents/data_sheet/PCA9633.pdf.
[3] 何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995.
[4] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[5] 徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，1998.