[はじめに]
マイコンの最も簡単な出力手段としてはＬＥＤによる表示があります。ＬＥＤによる表示はＬＣＤやＶＦＤ（蛍光表示管）に比べて専用の表示コントローラが不要で比較的簡単に使用でき、マイコンの動作電源程度で動作し、小型で小規模なものでも使えることから幅広く使われています。
コーヒーブレイク
最近は、青色も出回り、３原色が出揃ったことでいろんなところで見かけるようになったＬＥＤ。昨年のクリスマスの電飾では発光がきれいだ、寿命が長いとか省エネである等の理由でＬＥＤの比率がかなり高くなったのではないかと思われます。
このように、急速に身の回りに増えてきたＬＥＤですが、発光する色によって駆動電圧が異なります。古くからある赤色ＬＥＤは比較的低い電圧（１．５〜１．８Ｖ）で発光します。それに対して、青色ＬＥＤは３Ｖ前後の電圧が必要です。
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[ポートによる基本的なドライブ方法]
マイコンでＬＥＤをドライブする際には普通はポート機能を使用します。基本的な接続の方法としては、下の図の左に示すようにポートとグランドの間に接続し、ポートから電流を吐き出してＬＥＤドライブする方法と右に示すようにポートと正電源の間に接続して、ポートが電流を吸い込んでドライブする方法があります。どちらを使用するかはポートのドライブ能力と要求される輝度を得るために必要な電流で判断します。
コーヒーブレイク
上の接続方法では、ＬＥＤとシリーズに抵抗が接続されていますが、ポートを過電流から保護するための働きをします。ＬＥＤは電圧に対して流れる電流が大きく変化し、ある電圧までは殆ど電流は流れず、それ以上になると急激に電流が大きくなります。その傾向を右側のグラフに示します。
マイコンのポートは基本的に０／１のデジタル信号を出力するので、例えば電流を５ｍA流してもポートでの電圧降下は１Ｖ以下と規定しています。特性がこの半分程度まで変動したとして、０．５Ｖしか電圧が下がらなかった場合にはその分がＬＥＤにかかり、電流が１０倍程度になってしまいます。これを避けるために抵抗で電流制限します。
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[プログラムによる制御]
上記の接続でポート４０を使用したとすると、ＬＥＤを点灯するには左側の接続例ではポートに１を右側の接続例ではポートに０を出力します。１個だけの制御を行なう場合には、ビット操作命令を使うのが簡単です。
- 左側の接続例での点灯処理 SET1 P4.0 （Cでは P4.0=1;）
- 右側の接続例での点灯処理 CLR1 P4.0 （Cでは P4.0=0;）
このように、ポートを操作することでＬＥＤを点灯させることができます。（下記の図のＬＥＤ駆動例を参照）
[ドライブ電流の増大法]
ＬＥＤを点灯させるのに必要な電流が大きくて、マイコンで直接ドライブできない場合にはトランジスタを追加します。通常のＬＥＤの電流は大きくても100mA以下で十分なので、低周波増幅用の小信号用トランジスタで十分です。
この接続例ではトランジスタにより信号が反転されるので、ポートを１にすることで、ＬＥＤを点灯します。
[多くのＬＥＤのドライブ例]
上の例では、１個のＬＥＤを点灯するためにポートを１つ使用しました。しかし、使用するＬＥＤが多くなると各ＬＥＤにポートを割り当てることができなくなります。そこで、マトリクスを組んでダイナミック表示を行なう方法が考えられます。ＬＥＤの電流が2mA以下で同時には４個までしか点灯しないとすると下記の構成が考えられます。
ちょっと注意
ポートのドライブ能力は78K0S/Kx1+ではハイ側は5mA、ロウ側は10mAとハイ側よりロウ側が大きくなっています。78K0/Kxでも値は異なりますが、同じようにロウ側のドライブ能力が大きくなっています。ＬＥＤに流す電流は弱い方のドライブ能力で決定します。
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[プログラム例１]
この接続では、点灯させたいＬＥＤに対して上側のポートに１を設定し、下側のポートに０を設定します。
例えば、Ｌ１のＬＥＤを点灯させる場合には、Ｐ４０を１、Ｐ４１〜Ｐ４３を０に設定し、Ｐ４４を０、Ｐ４５〜Ｐ４７を１に設定します。
MOV P4,# 11100001b （Ｃでは P4=0b11100001;）
一つひとつのＬＥＤについてイミディエート（即値）で値を設定するのは面倒なので、通常は点灯させるＬＥＤ（Ｌ１〜Ｌ１６）に対応したテーブルを準備しておき、テーブル参照で制御します。以下のテーブルは０なら消灯、１〜１６なら対応したＬＥＤを点灯します。
LEDDATA:
DB 11110000b ; 消灯
DB 11100001b ; ＬＥＤ１点灯データ
DB 11100010b ; ＬＥＤ２点灯データ
DB 11100100b ; ＬＥＤ３点灯データ
DB 11101000b ; ＬＥＤ４点灯データ
DB 11010001b ; ＬＥＤ５点灯データ
DB 11010010b ; ＬＥＤ６点灯データ
DB 11010100b ; ＬＥＤ７点灯データ
DB 11011000b ; ＬＥＤ８点灯データ
DB 10110001b ; ＬＥＤ９点灯データ
DB 10110010b ; ＬＥＤ１０点灯データ
DB 10110100b ; ＬＥＤ１１点灯データ
DB 10111000b ; ＬＥＤ１２点灯データ
DB 01110001b ; ＬＥＤ１３点灯データ
DB 01110010b ; ＬＥＤ１４点灯データ
DB 01110100b ; ＬＥＤ１５点灯データ
DB 01111000b ; ＬＥＤ１６点灯データ
このテーブルを用いて、ＬＥＤのどれかひとつを点灯させるプログラムの例を以下に示します。このプログラムでは点灯させたいＬＥＤをＸレジスタで指定します。
LEDON:
PUSH HL
MOV A,#LOW LEDDATA ; テーブルアドレスの下位
ADD A,X ; オフセットを加算
MOV L,A
MOV A,#HIGH LEDDATA ; テーブルアドレスの上位
ADDC A,#0 ; 上位への桁上げ
MOV H,A ; HLをテーブルの読み出しポインターに
MOV A,[HL] ; データを読み出し
MOV P4,A ; ポートに出力
POP HL
RET
[プログラム例２]
この処理と同じことをＣ言語で記述する場合には、ＬＥＤの点灯データを配列として準備しておき、点灯させたいＬＥＤを配列の番号として配列から読み出すだけです。以下にそのための記述例を示します。
配列は１７個の要素（unsigned char：バイトデータ）から構成されたLEDSTATUSで定義しています。この構造の配列をdispと言う名前で定義しています。
typedef unsigned char LEDSTATUS[17];
const LEDSTATUS disp = {
0b11110000, // 消灯
0b01111000, // ＬＥＤ１点灯データ
0b01110100, // ＬＥＤ２点灯データ
0b01110010, // ＬＥＤ３点灯データ
0b01110001, // ＬＥＤ４点灯データ
0b10111000, // ＬＥＤ５点灯データ
0b10110100, // ＬＥＤ６点灯データ
0b10110010, // ＬＥＤ７点灯データ
0b10110001, // ＬＥＤ８点灯データ
0b11011000, // ＬＥＤ９点灯データ
0b11010100, // ＬＥＤ１０点灯データ
0b11010010, // ＬＥＤ１１点灯データ
0b11010001, // ＬＥＤ１２点灯データ
0b11101000, // ＬＥＤ１３点灯データ
0b11100100, // ＬＥＤ１４点灯データ
0b11100010, // ＬＥＤ１５点灯データ
0b11100001, // ＬＥＤ１６点灯データ
};
この配列を用いて実際のＬＥＤを点灯する関数の例として下記のLEDONを示します。この関数は点灯したいＬＥＤ（unsigned cha：バイト）を引数としてコールします。一旦、ＬＥＤを消灯した後で、配列からデータを読み出して、それをＰ４に書き込むことで、指定したＬＥＤを点灯するようになります。
void LEDON(unsigned char LEDNUMBER){
P4 = 0b11110000; /* Clear LED */
P4 = disp[LEDNUMBER]; /* Turn on specified LED */
}
解説
アセンブラでのテーブル参照はCでは配列の参照となります。プログラムそのものより配列（データテーブル）のデータ定義に手間がかかります。また、この配列はＲＯＭに入れておくことになるので、配列の宣言の先頭に定数であることを示すconstを宣言しておきます。
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[プログラム例の使い方]
このプログラム例２は以下のようにして使用します。タイマＨ１を用いて、４ＭＨｚ動作の場合には約１秒周期でＬＥＤ１〜ＬＥＤ１６を順番に点灯します。
#pragma SFR
#pragma NOP
void main(void){
unsigned char work1;
P4 = 0b11110000; /* Clear All LED */
PM4 = 0x00; /* Port 4 is Output */
TMHMD1 = 0b01000000; /* set interval timer mode */
CMP01 = 60; /* Interval = 60ms */
IF0 = 0x00;
work1 = 0x01;
TMHE1 = 1;
while(1){
LEDON(work1++); /* LED on */
while(TMIFH1 == 0){
NOP(); /* wait timer interrupt */
}
TMIFH1 = 0;
if(work1 == 17) work1 = 1;
}
}
解説
ここでは、点灯するＬＥＤの切り替えタイミングはタイマを利用して計測しています。タイマは動作モード（インターバルタイマ・モード）とカウントクロックをモードレジスタで設定し、カウントさせる値をコンペアレジスタ（CMP01）に設定してから起動（TMHE1に１をセット）しています。これでタイマは設定された時間ごとに割り込みを発生して割り込み要求フラグ（TMIFH1）をセットします。実際に割り込みを利用して処理を行なってもいいのですが、ここではwhile(TMIFH1 == 0)によるポーリングを行なっています。割り込み要求フラグがセットされるとループを抜けます。
ループを抜けたら、割り込み要求フラグをクリア（TMIFH1 = 0）します。通常のベクタ割り込みでは、割り込みを受け付けて、ベクタに分岐するときに割り込み要求フラグは自動的にクリアされるのですが、ポーリングではプログラムでクリアしないといけません。
ベクタ割り込みやここで使ったポーリング以外にもタイムアップを待つ方法はあります。それは、省電力機能（スタンバイ機能）を用いてＣＰＵの実行を停止してしまう方法です。スタンバイ状態でタイマからの割り込み要求でＣＰＵを再起動して処理を継続します。このためには、スタンバイ状態を解除するための割り込みのマスクを解除しておく必要があります。上記のmain関数を以下のように変更します。
スタンバイにはＨＡＬＴ以外にクロック発振も停止してしまうＳＴＯＰもあります。しかし、この場合にはタイマで時間を計測する必要があるので、ＳＴＯＰは使えません。ＨＡＬＴを使用するには、#pragma指令によりＨＡＬＴ命令を使用することを宣言する必要があります。そこで、最初に#pragma HALT宣言を追加します。また、割り込みのマスクを解除するために、TMMKH1 = 0;も追加します。なお、ベクタ割り込みは使用しないので、ＣＰＵは割り込み禁止状態にしておきます。
そのうえで、タイマ割り込みを待つために、while文をHALT()に変更します。
割り込みについてはＦＡＱの「割り込みの動作の基本 [共通]」も参照してください。
また、スタンバイについてはＦＡＱの「スタンバイ動作について」もご参照ください。
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(2006/04)
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