第3/15原创：数码管

losingamong

第3/15原创：数码管 [复制链接]

事无巨细，数码管闪亮

仍然是深夜，仍然精力充沛，遂来写写数码管的显示。篇幅也许会很长，各位看客最好端杯茶慢慢消遣。
言归正传，我们先看看什么是数码管（图片来自网络）：

上图就是各种长相各种样子的数码管了，肯定很眼熟了吧。
简单讲讲它的构造：一般数码管都称为“X位X段数码管”：比如一位八段数码管、两位八段数码管、四位八段数码管等。“位”即是指这排数码管共有几位（即有几个“8.”），“段”则是指每一位数码管由几段组成，很容易数出来，是八段（小数点也算一段）如上图左下则是一位八段数码管，而最上边的就是四位八段数码管了。应该很容易理解。而这些“段”，其实是一个个长条形状的发光二极管（LED），所以数码管点亮的时候，本质上就是这八个发光二极管的某几个在被点亮，就组成了我们需要的字符。
我们来看看它的工作原理，如下图（来自google，鄙视百度充满广告的搜索结果）

上图展出了常用的两种数码管的引脚排列和内部结构。总所周知，点亮发光二极管就是要给予它足够大的正向压降。所以点亮数码管其实也就是给它内部相应的发光二极管正向压降。如上图左（一共a、b、c、d、e、f、g、DP八段），如果要显示“1”则要点亮b、c两段LED；显示“A”则点亮a、b、c、e、f、g这六段LED；我们还知道，既然LED加载的是正向压降，它的两端电压必然会有高低之分：如果八段LED电压高的一端为公共端，我们称之为共阳极数码管（如上图中）；如果八段LED电压低的一段为公共端，则称之为共阴极数码管（上图右）。所以，要点亮共阳极数码管，则要在公共端给予高于非公共端的电平；反之点亮共阴极数码管，则要在非公共端给予较高电平。
一般共阳极数码管更为常用，为什么呢？这是因为数码管的非公共端往往接在IC芯片的IO上，而IC芯片的驱动能力往往是比较小的，如果采用共阴极数码管，它的驱动端在非公共端，就有可能受限于IC芯片输出电流不够而显示昏暗（比如51单片机），要外加上拉电阻或者是三极管加大驱动能力。所以使用共阳数码管的好处是：将驱动数码管的工作交到公共端（一般接驱动电源），加大驱动电源的功率自然要比加大IC芯片IO口的驱动电流简单许多。另一方面，这样也能减轻MCU的负担。
现在来看我们CEPARK板子上用来驱动数码管的一种芯片：74HC595。
先了解两个简单的概念，我尽量用易懂的白话阐述：
串行口：既传输数据只用两个IO，输出IO和输入IO，通过时钟的配合一次只做一位数据的传输，比如传输一个字符类型的八位数据，就要八次时钟配合八次传输。
并行口：相比于串行口，并行口一次可以传输多位数据（8位、16位甚至32位），但是要占用大量IO口（也是8个、16个、或者32个IO），原理与串行口类似：数据在数个IO上有效后，一次时钟配合传输这数位数据。
明显，串行口节省IO，但是传输速度慢。并行口速度快，但是占用大量IO。那到底哪种更被广泛使用呢？对，串行口。传输速度取决于CPU的主频，传输位数取决于IO口的个数。相比于主频来说，MCU的IO要宝贵的多，当今时代，CPU的主频符合摩尔定理增长定理：即每十八个月就可以大幅增长。但是因为制造技术的限制，IO数就远远没有这么快的增长了。
现在来看74HC595，双列直插封装（DIP），是一种移位寄存器内部带有移位存储器和数据存储器，数据存储器的数据直接展现在它的输出IO上。它最主要的功能，就是将串行数据输出转变为并行数据输出，达到一种扩展IO的功能。见下图（来自官方PDF）：

上图展示了74HC595的管脚，其中
14脚，串行数据输入脚
1~7，15脚刚好是八位的并行输出口
13脚，输出使能端，高电平有效，即该引脚给予高电平是，74HC595才能输出数据
    12脚，存储时钟，在每个上升沿，将移位寄存器的数据存储至存储寄存器，即将74HC595                   的数据刷新输出。
11脚，移位时钟，也是在每个上升沿，将14脚即串行数据输入脚的数据移至移位寄存 器。注意首先写入数据的最高位。
9脚，串行输出脚，注意该脚的数据是从移位寄存器的最高位移过来的。一般用于两级74HC595的级联，CEPARK AVR的板子便是如此。
现在阐述一下74HC595的工作过程：通过移位时钟的配合，将串行输入口的数据逐位移进移位寄存器。移位完成之后，通过存储时钟将移位寄存器的数据移至存储寄存器，此时输出IO对外显示相应电平。特别说明9脚（SQH），该脚的数据是从7脚（QH）移上来的，即进行八次移位后，数据在第九次移位第一次来到9脚。理解这点，才能理解CEPARK AVR的工作原理。
好，现在我们可以看看CEPARK AVR的数码管显示模块的原理图：

很明显，论坛的板子用的是四位八段共阳极数码管。其中9~12脚分别为四位数码管各自的公共端，要点亮某一位，就要给9~12这四个脚的某一位高电平（共阳），1~8脚给相应的低电平。图中的电阻为470欧限流电阻，计算方法请参看《事无巨细，流水灯简入》一文。
下面是两片74HC595级联，其中比较关键的几点：
1.注意看他们的11脚和12脚共用了AVR单片机的PB7和PB4，即共用了移位时钟和存储时钟，表示他们对数据的操作是同时进行的。
2.两片74HC595的9脚相连，表示要将上级74HC595的串行数据再以串行的方式传输到下级。但是不是直接传输，而是通过上级74HC595的移位寄存器。即如果要将数据写至下级74HC595，则必须先把数据依次移到上级的9脚，再配合时钟一位一位写入。（上级和下级以数据流先后为准，此原理图数据先到达左边的74HC595，遂其为上级）
这个显示模块的工作原理并不复杂，上级74HC595提供段选信号，下级74HC595提供位选信号。首先配合移位时钟先将八位位选信号（注意，一定是位选信号，因为先写入的数据最终会存储在下级74HC595中！！！）写入上级74HC595，然后通过16次移位将其移植下级74HC595；再将八位段选信号写入上级74HC595。完成之后给存储时钟上升沿，一次刷新两级74HC595的IO电平状态。数码管即显示相应信息了。
这样的设计方法，会给程序的编写带来难度，电路连线更复杂，稍带电路成本增加。
但其好处足以掩盖上述缺点：
1.只用3个MUC的IO就可以驱动8位数码管，极大节省了IO。（本应占用16个IO）
2.两级74HC595级联，时钟线共用使得段选和位选信号同时得到刷新，避免了因为分       步刷新而引起的数码管短暂乱码的现象。（这个读者要细细体会，我接触过的大部分的板子是做不到这点的）
PS：在此多说一句，评判一个电子产品，质量，工作稳定性和成本，永远都是三个最重要的要素，特别的这是个追求高效率，对价格敏感的时代。所以孰重孰轻，笔者相信读者经过权衡，心中自然明了。
现在来看这次实验的源程序，功能是在八位数码管上从左到右依次显示“12345678”
八个数字。
#include
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
unsigned char const LedData[]=
{0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};             //数码管端选数组，静态
unsigned char const LedPos[]=
{0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};            //数码管位选数组，静态
uchar n,m=0xfe;
void HC595send(uchar x);                           
void init(void);                                             
void HC595shift(void);
void HC595store(void);
void display(uchar pos,uchar dat);                         //以上为各个函数声明，详细功见下   
int main(void)
{
init();
while(1)
{
  for(n=1;n<9;n++)                               //循环显示，八次
  {
   display(n-1,n);                             //显示函数调用
   HC595store();                              
  }
}
}
void init(void)                                          //IO初始化函数
{
DDRB=0xff;//B口全部输出
PORTB=0x00;//B口全部低电平
}
void HC595send(uchar x)                             //HC595字节写入函数
{
uchar n,temp;
for(n=0;n<8;n++)
{
  temp=x&0x80;
  if(temp!=0)
  {
   PORTB|=(1<< PB5);                  
   HC595shift();
  }
  else
  {
   PORTB&=~(1<< PB5);
   HC595shift();
  }
  x<<=1;
}
}
void HC595store(void)                               //字节写入存储寄存器
{
PORTB|=(1<< PB4);
PORTB&=~(1<< PB4);
}
void HC595shift(void)                               //寄存器移位函数
{
PORTB|=(1<< PB7);
PORTB&=~(1<< PB7);
}
void display(uchar pos,uchar dat)                       //显示函数，在某位显示某数据
{
HC595send(LedPos[pos]);
HC595send( LedData[dat]);
}
程序依然不长，我这里挑一些比较关键的地方说说
1、数码管位选和段选的两个数组定义为const 类型，意为该数组的元素在全局程序里全部不可被修改，在某些数据始终都不希望被修改的时候可以用此关键字。
2、注意到void HC595send(uchar x)中，因为第一位被写入的数据是被写入字节的最高位，所以做temp=x&0x80语句处理以分离最高位（如果是分离最低位应该是temp=x&0x01）。
3、注意到第一次写入的数据是不需要经过待写字节的移位的，移位寄存器一共移位八次，但是被写入数据只有七次移位，移位语句x<<=1放在了该函数的最后实现该目的。
4、程序中大量出现的类似PORTB|=(1< 某位置1：PORTX|=(1<< PBX)[/code]某位清零：PORTX&=~(1<< PBX)[/code]某位取反：PORTX~=&(1<< PBX)大家要牢记再牢记，非常高效，非常常用，非常有用。
5.void HC595shift(void) 中，因为时钟线在上升沿将数据线数据写入，所以每次上升沿完成，要重新将时钟线置低，准备下一次上升。有说法称这种行为为为：释放时钟线。
6.void display(uchar pos,uchar dat)函数中，要先写入下级寄存器的数据后写上级寄存器的数据，所以先写pos(position，位置)，后写dat(data，数据)注意保持良好的变量名称定义习惯有重大意义。
希望能给有需要的人一点帮助。
PS：晒晒我的板子 ：;P   


[ 本帖最后由 losingamong 于 2010-3-12 12:30 编辑 ]

tiankai001

呵呵，图片做的很漂亮

simonprince

LZ打算开班授课

losingamong

又得向管理员汇报问题了：
贴子里会把 “P”这个字符识别成表情，如上倒数第二个表情本来应该是PBX
我在前面的所有'P'前面加一个空格才可以避免这种情况，留下一个作参考
不知道这算不算一个问题？

losingamong

原帖由 simonprince 于 2010-3-12 10:59 发表
LZ打算开班授课

这个……:L 偶的能力还不至于敢拿出来摆……

simonprince

俺搬个板凳过来学

soso

原帖由 losingamong 于 2010-3-12 11:00 发表
又得向管理员汇报问题了：
贴子里会把 “P”这个字符识别成表情，如上倒数第二个表情本来应该是PBX
我在前面的所有'P'前面加一个空格才可以避免这种情况，留下一个作参考
不知道这算不算一个问题？

哈哈 一天一个问题，真好，这样可以加快我们的改进步伐：

刚和技术沟通了一下，想让他把表情换成比较复杂的按键组合，但是技术提出的问题是：那之前所有的表情就没法显示了，所以目前的按键组合不能轻易改动了，还请多多理解。

有两个方式可以避免此问题，供你参考（稍后我也会单独发布公告）：

1、在编辑帖子页面，左下角有个“禁用Smilies”的功能，勾选上，然后点击“发表回复”，整个帖子页面就不会出现表情符号；





2、还有一种方法：将代码选中，点击“插入代码”按钮，则代码以代码格式显示，还方便复制。





如有问题，咱们再进行探讨：）

losingamong

呵呵，管理员还真是热心呐

David_Lee

eeworld的管理员，好着呢。
哦，我承认，有点拍马屁的意思。;P

David_Lee

社区大讲堂开始：基于GCCAVR的mega16开发入门教程
第一讲：GCCAVR的开发环境介绍
第二讲：经典项目：流水灯
第三讲：数码管的显示
……
Key、ADC、Timer、LCD、DS1302、DS18B20、矩阵键盘、uart、ps/2、红外、IIC读写eeprom……
跟着楼主学，共同进步啦。

soso

原帖由 David_Lee 于 2010-3-12 17:20 发表
eeworld的管理员，好着呢。
哦，我承认，有点拍马屁的意思。;P

lixiaohai8211

呵呵，楼主说的真好啊，学习学习