动态扫描数码管

前面我们学习了如何使用一位LED显示数字，很简单是吧？

现在我们加点难度。一位数码管只能显示一位数字，现在我们要显示8位数字（或者显示时间）。

那么我们就需要8位数码管，如果按照1位数码管的硬件接法，8位数码管就需要64根IO。

相当于1个LED使用1根IO口控制。

大家觉得可行吗？当然可行，我们芯片有100根管脚，80多根IO。

但是你只打算用芯片控制8位数码管吗？肯定不是嘛！这样的方案肯定是非常浪费IO的。

那怎么办嗯？要解决这个问题，要用到一个原理，两个芯片。

一个原理

不知道大家是否了解过以前的胶片电影，一张一张的画片，连续播放就能看到活生生的，会动的人。

这是为什么呢？

原理是“视觉暂留”。

科学实验证明，人眼在某个视像消失后，仍可使该物像在视网膜上滞留0.1－0.4秒左右。电影胶片以每秒24格画面匀速转动，一系列静态画面就会因视觉暂留作用而造成一种连续的视觉印象，产生逼真的动感。

我们在数码管上能不能用这个原理呢？

8个数码管都用同样的IO控制亮灭，轮流显示。

只要同一个LED的点亮间隔不大于0.4秒（实际要比这个小），那么我们就会一直看到这个数码管是亮着的。（和真正一直亮会有什么差别？）

这样我们就只要8根IO了？

如何选择8个数码管该点亮哪个？

前面我们用共阴极数码管，阴极是接到地线的。

我们可以用IO口控制阴极，只有对应的IO是低电平，这个数码管才有亮。如果阴极是高电平，数码管就不会亮。

如此，我们需要8+8根IO就够了。省去了48根IO，太有成就了。

两个芯片

我们都是高兴太早，通常IO口还是不够，使用16根IO也是很浪费的。

那这么办呢？利用数字电路，有两个芯片能帮上我们的忙。

74HC138和74HC595。

138是三八译码器，595是8位串行输入、并行输出的位移缓存器。

74是一系列数字功能芯片，注意中间字母的区别。我们选用的是HC类型，HC表示是CMOS电平，或者简单说就是3.3V电压。

三八译码器

三八译码器是什么？我们从数据手册一探究竟。

打开数据手册，标题：SNx4HC138 3-Line To 8-Line Decoders/Demultiplexers

翻译为中文就是：SNx4HC138 3线转8线译码器/多路分配器，怎么转呢？往下看。

我们选用的型号是SN74HC138PWR。型号这些数字和字母都是什么意思呢？

SN74是芯片系列。

HC是芯片种类。

138是芯片具体型号。

PW是封装，TSSOP16。

R包装形式，编带。

138的功能：用3根线的电平，选择8根线中的一根线输出低电平，其他输出高电平。

芯片电气信号

真值表如下：

左边是输入，右边是输出。

ENABLE信号通常我们输出H-L-L，也就是默认使能，不进行控制。

C/B/A，38译码器3根输入线，一共有8种组合。

输出信号8根，根据3根输入线的状态，选择其中1根输出低电平，其他线输出高电平。

因此，选中的数码管是低电平，那么就只能用共阴极数码管。

595功能

打开595手册

标题：8-Bit Shift Registers With 3-State Output Registers

意思：8位移位寄存器，具有3态输出。

我们选用的型号是：SN74HC595PWR，名称含义与138类似。

芯片电气信号

时序图

14脚SER输入，11 脚SRCLK上升沿，从14脚输入1位数据。8次之后，就有一个BYTE的数据保存在595中。当时钟继续输出，数据将从9脚输出，因此，可以通过多个595串联实现更多的移位位数。两个595就可以组成16位移位寄存器。

12脚RCLK上升沿，保存在595中的8位数据，从595的8个并行输出引脚输出（OE需要低电平）

10脚SRCLR是复位脚，低电平有效，上电后输出高即可。

更多细节可参考：https://baike.baidu.com/item/74HC595/9886491

我们用三八译码器控制刷管的共阴极，595控制数码管的正极。三八译码器决定哪个数码管亮，595决定亮的内容。如此，我们就只需要7个IO口就搞定了。

硬件原理

节省IO是一种共识，所以要用8位数码管时，我们不需要用8位单独的数码管组成。

而是用2个内部连接好信号的4位数码管。如下图：

这种数码管内部已经将共用的信号连在一起。同样，也有共阴极和共阳极数码管之分。

内部连接信号如下:

电路图根据前面分析的原理设计，如下图：

调试

第一步

静态显示，38译码器设定一个固定输出，选中一个数码管，控制595输出，让数码管显示不同数字。

初始化硬件

``` /* 595_SDI--- ADC-TPX---PB0---数据输入 595_LCLK---ADC-TPY---PB1---数据锁存---上升沿锁存 595_SCLK---TP-S0---PC5---数据移位---上升沿移位 595_RST---TP-S1---PC4---芯片复位--低电平复位

A138_A0---FSMC_D2---PD0
A138_A1---FSMC_D1---PD15
A138_A2---FSMC_D0---PD14

/ void seg_init(void) { / GPIOD Periph clock enable */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);

  /* 38译码器输入0 ，选中第4个数码管*/
  GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);
  /* Configure PD0 and PD2 in output pushpull mode */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
  /* Configure PD0 and PD2 in output pushpull mode */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5);
  /* Configure PD0 and PD2 in output pushpull mode */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

  /* 拉高复位信号 */
  GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);

} ```

138驱动

/* 选择数码管，控制138选中对应数码管 pos参数就是位置 */ void seg_select(uint8_t pos) { if (pos == 1) { GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_14); GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15); } else if (pos == 2) { GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_14); GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15); } else if(pos == 3) { GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14); GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0); } else if(pos == 4) { GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14); } else if (pos == 5) { GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14); } else if(pos == 6) { GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14); GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0); } else if(pos == 7) { GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_14); GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_15); } else if(pos == 8) { GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_14); GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_15); } }

595驱动

``` / 输出一位数码管显示数据 / void seg_display_1seg(uint8_t segbit) { uint8_t tmp; uint8_t cnt = 0;

tmp = segbit;

cnt = 0;
/* 拉低 595_LCLK*/
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);

while(1) {
    /* 拉低 595_SCLK*/
    GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);
    /* 将数据从 SDI发出去*/    
    if((tmp & 0x80)== 0x00)//注意操作符的优先级
    {   
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);      
    } else  {   
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
    }

    tmp = tmp<<1; //移位

    delay(100);
    /* 拉高 595_SCLK 移位数据 */
    GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);
    delay(100);

    cnt++;
    if(cnt >= 8)
        break;
}

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
delay(100);

} ```

应用

在main中初始化数码管，138固定输出值，调用595驱动函数输出各种数字。

``` seg_init();

/*
    第一步，调试595和138功能
    在第1个数码管显示0-9
*/
seg_select(1);
seg_display_1seg(0x3f);
seg_display_1seg(0x06);
seg_display_1seg(0x5b);
seg_display_1seg(0x4f);
seg_display_1seg(0x66);
seg_display_1seg(0x6d);
seg_display_1seg(0x7d);
seg_display_1seg(0x07);
seg_display_1seg(0x7f);
seg_display_1seg(0x67);
seg_display_1seg(0x3f|0x80);

```

输出数字对应的数码管段值，列入一个数组，索引就是数字，比如显示数字1，输出的数码管段值就是SegTab1，也就是0x06。

uint8_t SegTab[10]={0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x67};

单步运行看效果。

第二步

固定显示，595输出固定值，调试38译码器，让数字在数码管上轮流显示相同的数字。

代码和第一步类似。

经过第一第二步调试后，138和595驱动就完成了。

第三步

第一第二步只是实现了单个数码管显示，属于静态显示。

前面讲原理时讲过，8位数码管使用动态显示方法。需要将38译码器和595配合，才能动态刷8位数据，我们现在尝试固定显示12345678。

动态刷新是一个循环，因此放在while循环中实现。

代码如下：


    seg_select(1);
    seg_display_1seg(0x3f);

    seg_select(2);
    seg_display_1seg(0x06);

    seg_select(3);
    seg_display_1seg(0x5b);

    seg_select(4);
    seg_display_1seg(0x4f);

    seg_select(5);
    seg_display_1seg(0x66);

    seg_select(6);
    seg_display_1seg(0x6d);

    seg_select(7);
    seg_display_1seg(0x7d);

    seg_select(8);
    seg_display_1seg(0x07);

单步运行，看效果。发现一个问题，在调用138切换数码管时，会将前面显示的内容显示到下一个位置。

比如，数码管1显示1，调用数码管138切换显示位置到数码管2，这时，数码管2会显示1。这是个问题。

我们全速运行程序看看效果。显示的内容并不是87654321，而是76543218，而且有重影，影子隐隐约约是我们要的效果：87654321。

如何解决这个问题呢？

方法是：在切换显示位置前，将显示内容清零，也就是将595的输出内容输出为0。

增加一个seg_clear函数实现这个功能。实现如下：

void seg_clear(void)
{
    uint8_t cnt = 0;

    cnt = 0;
    /* 拉低 595_LCLK*/
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);

    while(1) {
        /* 拉低 595_SCLK*/
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);
        /* 将数据从 SDI*/   
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);      
        delay(100);
        /* 拉高 595_SCLK 移位数据 */
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);
        delay(100);

        cnt++;
        if(cnt >= 8)
            break;
    }

    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
    delay(100);

}

在前面的测试函数中所有seg_select函数之前都添加本函数。

编译下载全速运行，效果正常。

第四步

经过第三步调试，8位数码管的功能已经实现了。

那，驱动算完成了吗？没有。为什么？

先介绍一个很重要的概念：时间片。

什么是时间片呢？拿LED和8位数码管进行对比。

LED，只要将IO置位，就能点亮，之后如果不改变LED状态，不需要再管它。

8位数码管呢？因为我们用动态扫描方法，不能仅仅将8位数码管输出一次内容之后就不管了，要一直刷新。

前面原理也说过，每个数码管刷一次的时间间隔不能小于24ms。

这种需要定时操作的，我们通常就说这个功能需要时间片。

好，了解了时间片。那么应用程序要如何使用呢？

应用程序只是想在数码管上显示一些数字而已，数码管怎么显示的，它是不管的。

为了显示数字，让应用程序间隔24ms就调用你的程序刷新显示，这明显不合理，专业术语叫强耦合，本来不相关的。

讲到这，不知道大家是否明白。不了解也没关系，后面再慢慢理解。

总之，矛盾就是：应用只是想显示一数字，数码管驱动要时间片维持显示。

怎么实现呢？用缓冲。缓冲就是一个组数，这个数组是应用和驱动之间的联系。

应用程序将要显示的内容放到缓冲。驱动将缓冲中的内容显示到数码管。

如此，就达到了最简单的模块分离。

程序设计中有一个理论：生产者和消费者。

数码管驱动和应用虽然不是真正的生产者和消费者，但是使用缓冲的逻辑是相似的。

有8位数码管，就定义包含8个空间的数组。

/* 动态扫描添加缓冲功能 */ /* 8位数码管的显示内容 */ char BufIndex = 0; /* 缓冲，保存的是对应数码管段值 */ char Seg8DisBuf[8]={0x7f,0x07,0x7d,0x6d,0x66,0x4f,0x5b,0x06};

定义一个函数，用于动态刷新数码管。这个函数最好放在定时或者RTOS的定时任务中执行。现在我们还没学会，可以放在main函数中的while运行。

``` / 动态刷新定时调用本函数，本函数对应用层屏蔽，意思是：应用层不知道我是通过动态刷新实现8位数码管功能。 / void seg_display_task(void ) { seg_clear(); seg_select(BufIndex+1); seg_display_1seg(Seg8DisBuf[BufIndex]);

BufIndex++;
if(BufIndex >=8)
    BufIndex = 0;

} ```

定义一个函数，给应用程序调用，改变数码管缓冲的值。

/* segbit 数码管段值，为1的bit点亮 seg 数码管位置，1~8 */ void seg_fill_disbuf(uint8_t segbit, uint8_t seg) { Seg8DisBuf[seg-1] = segbit; return; }

在main函数中调用数码管刷新功能。

``` /-----------------驱动--------------/ / 使用显示缓冲方法，要改变显示内容，调用函数seg_fill_disbuf改变Seg8DisBuf中的内容即可 / seg_display_task();

/*-----------------应用-----------------*/
cnt++;
if(cnt >= 1000) {
    cnt=0;
    disnum ++;
    if(disnum > 9) 
        disnum = 0;

    seg_fill_disbuf(SegTab[disnum], 1);

}
/*----------------------------------*/
delay(1000);

```

驱动是数码管的内容，while循环最后delay 1000，也就是刷新间隔。现在没定时器，暂时定一个值，数码管不闪烁即可。

应用就是延时1000次个delay(1000)后，改变数码管1显示的数字，从0显示到9。

编译下载看效果。

end

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search