【.NET 与树莓派】LED 数码管驱动模块——TM1638
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【.NET 与树莓派】LED 数码管驱动模块——TM1638
LED 数码管，你可以将它看做是 N 个发光二级管的组合，一个灯负责显示一个段，七个段组合一位数字，再加一个小数点，这么一来，一位数码管就有八段。一般，按照顺时针的方向给每个段编号。
上图中的 h 就是显示小数点的段，许多电路图上都标为 dp。
这么看来，要显示一位数字，你就需要九根连接线。由于连接的方向不同，又产生了“共阳”和“共阴”两个概念。
共阳：即共享阳极，也就是电源正极。导线V接到电源正极上（需要串联电阻，网上很多说要 1k 欧，其实400-500欧就可以了），然后从V并联出八条走线，分别连接八段数码管，而每段数码管的负极都单独连接。这九根线就成了一正八负。
共阴：就是使用共同的负极。用八条线（设为V1到V8），分别单独连接电源正极，然后串联电阻，依次接到八段数码管上，最后每段数码管的负相同，即八正一负。
你要是觉得别人的图太复杂看不懂，老周替你找了一张简单的。
至于说怎么分辨出共阳和共阴，根据上面对二者的特点描述，方法也不难。首先，一条线连到电源正极，一条联到负极（当然不要忘了串电阻），然后在数码管上随便找两个引脚接入电路，并且要保证连接后其中某一段LED会亮的。这时候，你保持电源负极不变，用其他引脚轮流去接触电源正极，如果有多个LED发光，说明你手上的玩意儿是共阴的。同样，保持电源正极连接不变，依次尝试把其他引脚接到负极，如果有多段LED发光，说明是共阳的。
那么，开发板如何控制哪段LED发光，哪段不发光？这里头的原理，还是那个不变的规律——电流从高电势流向低电势，即电压高的会流向电压低的。
1、共阳数码管：共用电源正极，可以认为它输出的是高电平，然后八个段接到 GPIO 口，要想哪段LED发光就让对应的接口输出低电平，不发光就输出高电平。
2、共阴数码管：共用电源负极，可以认为它输出的是低电平，要让某段LED发光，就让对应的 GPIO 口输出高电平。
一位数码管就占用了九个 GPIO 接口了，要是两位数呢，再加九个，那就成了十八个了，要是有四位数呢，那估计你要买几块开发板了。就算你拼接了几块开发板，如何统一控制就很头痛了。为了节约 GPIO 引脚资源，于是又有新名词问世了——段扫描。
这里咱们就别管它是静动扫描还是动态扫描，因为我们今天的主题是借助专门的驱动芯片的，所以有关扫描的事儿，简单了解就行。为了减少接线数量，可以把每位数的段合为一个并联电路，再单独一根线来控制数字位。例如
这么一折腾，四位数码管只需要 4 + 8 = 12 根线就能连接。不过，细心的你，此时肯定发现问题了，要是这样连接，岂不是在同一时刻只能允许一段LED发光？那我需要多段LED发光咋办？那就得扫描了，实际上就是不断地执行循环，轮番地切换控制，只要切换的速度够快，人眼是觉察不到闪烁的，于是就可以瞒天过海，骗过你的眼睛了。至于说能不能骗过猫的眼睛就不知道了，这有待生物学家们去验证了。
比如，我要让这四位数码管显示1213，好的，“1”是 b、c 段发光，其他段不发光
“2”是 a、b、d、e、g 五段发光。
“3”是a、b、c、d、g 发光。
第一步，显示第一位“1”，把 1+ 接通，2+ 到 4+ 不通，再把 b c 段接通；
第二步，显示第二位“2”，把 2+ 接通，1+、3+、4+ 不通，再接通 a b d e g 。
第三步，显示第三位“1”，和第一位的段相同，但数位上是接通 3+，1+、2+、4+不通。
第四步，显示第四位“3”，把 4+ 接通，其他位不通，再接通a b c d g。
最后让上面四个步骤不断地循环。
只要你的单片机够快，你几乎看不到闪烁。但树莓派是带操作系统的，不管怎样，通过系统层再到硬件的调用肯定会慢一拍，会出现闪烁或者部分LED段亮度不够的情况。这个循环可能用纯粹的微控制器开发板会快一点。
然而，哪怕用上了扫描方案，还是不能解决问题。第一，占用开板的接口仍然很多，要是有八位数码管，那得16个以上的接口了；第二，开发板把“精力”都花在循环扫描上了，就没空去处理其他事情了，这样未免太浪费。于是，就出现了专门驱动LED数码管的芯片。常见的如 74HC595、TM1637、TM1638、TM1650 等。
本文老周介绍的是 TM1638，这个“TM”不是“他妈”的意思，而是指“天微电子”。所以，你不能读作“他妈 1638”。1637 在微软开源的 Iot.Bindings 库里面已经封装了。现在某宝上能买到的 TM1637 模块基本上是封装为时钟模块，即没有小数点，而是中间加个“:”，显示时钟用的。
而 TM1638 一般封装为一个复合模块，老周买的是这个，有八位数码管，下面有八个按钮（有的是十六个按钮），顶部有八个发光二极管。
这个模块有除了供电的两个引脚，用三根线来控制，怎么说也比用十几根线来得简便。
STB：可以理解为命令控制线，在发送命令之前，STB要拉到低电平，发完命令或读取完按钮信息后，需要把STB拉回高电平。
CLK：时钟线，其实用来控制硬件的数据处理节奏。
DIO：数据线，高电平表示1，低电平表示0。
注意：不管是发送还是接收数据，都是从字节的低位开始的。
这个模块，其实如果玩熟练了，并不复杂，只是它用的不是标准的 SPI、IIC 协议，所以我们只能自行封装。依据数据手册，每个二进制位的读写操作都在时钟线的上升沿完成。上升沿就是 CLK 线从低电平转到高电平的瞬间，这个时间极短，就算侦听 PinEventTypes.Rising 事件（类似单片机中的中断），有可能也来不及，因为模块一旦收到此信号就会马上处理。所以，我们在写代码时，可以换个思路——在每个时钟上升沿到来之前把数据线DIO 的电平固定好，这样就不怕由于时间来不及而导致读写错位了。
不妨看看数据手册中的时序图。
从时序图中可以看到。在CLK线发生上升沿时，DIO必须准备好数据（不管是拉高还是拉低），因为 TM1638 模块是以上升沿作为数据发送的信号的。也就是说，只要是在CLK的上升沿到来之前，都可以修改DIO的电平。
故，下面的 WriteByte 方法，两个版本都是可以的。
// 版本一
void WriteByte(byte val)
{
// 从低位传起
int i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
// 拉低clk线
_gpio.Write(CLKPin, 0);
// 修改dio线
if ((val & 0x01) == 0x01)
{
_gpio.Write(DIOPin, 1);
}
else
{
_gpio.Write(DIOPin, 0);
}
// 右移一位
val >>= 1;
// 拉高clk线，向模块发出一位
_gpio.Write(CLKPin, 1);
}
}
// 版本二
void WriteByte(byte val)
{
// 从低位传起
int i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
// 修改dio线
if ((val & 0x01) == 0x01)
{
_gpio.Write(DIOPin, 1);
}
else
{
_gpio.Write(DIOPin, 0);
}
// 右移一位
val >>= 1;
// 拉低clk线
_gpio.Write(CLKPin, 0);
// 拉高clk线，向模块发出一位
_gpio.Write(CLKPin, 1);
}
}
两个版本的区别在于：第一个版本中，每次发送二进制位时，先拉低CLK，再改变DIO，再拉高CLK；第二个版本则是先改变DIO的电平，再拉低CLK，然后又拉高CLK。
其核心就是——每个二进制位都要制造一个CLK的上升沿，所以CLK在什么时候拉低不重要，重要的是只有拉低再拉高才能产生电平上升的跳变过程。
而STB线的使用并不是看每个字节，而是看命令，发送命令前，STB要拉低电平，发送完命令后，STB线要拉高。命令可能是一个字节，也可能是两个、三个字节。总之，发送一条命令前要拉低STB，发完后要拉高STB。
下面看看有哪些命令可用。
这个表把命令分为三类：设置命令、显示控制、要操作的寄存器的地址。模块通过一个字节的最高两位（B6、B7就是第7、8位）来区分。比如，你要调整数码管的显示亮度，属于显示控制命令，因此，你写入的命令字节的最高两位必须是 0b 10xx xxxx。
1、设置命令
格式：0b_01xx_xxxx
通过上表，会发现一件事——当把无关项全填上0后，原来有两条命令是一样的。配置模块为写显示寄存器模式时的命令是 0100 0000，并且将寄存器寻址方式设为自动增加模式时，命令也是 0100 0000。
后面两条测试命令我们可以不管它，先看第一条，把数据写到显示寄存器，也就是说你要八位数码管显示会么，就把要显示的LED段数据写入对应的寄存器中。不知道大伙伴们还记不得前文中说的，数码管每个位有七段，加上小数点是八段，每段对应一个二进制位，哟西，正好是一个字节。排列顺序是从低位到高位。
dp g f e d c b a
0 0 0 0 0 0 0 0
如果要显示0，即a b c d e f 要点亮，那就是 0011 1111；
要显示1，即 b c 段要点亮，也就是 0000 0110；
要显示3，即 a b c d g 段要点亮，就是 0100 1111。
最高位是小数点，若要让3后面的小数点点亮，就是 1100 1111。
要点亮的位放 1，不点亮的位放 0。
这款TM1638模块有八位数码管，因此，需要有八个寄存器来存放，每个寄存器对应一位。
可数据手册中我们看到了十六个寄存器，地址从 0x00 到 0x0F。原来每个数码位有两个字节，占了两个寄存器。第一个字节 SEG1 到 SEG8，就是一位数码管中的八段，那么第二个字节中还有两位（SEG9、SEG10）是啥？回过头再看看这模块，每一位数码管上面都对应有一盏小灯，所以这第二个字节的第一位（SEG9）就是用来控制这个小灯亮不亮的，因为模块只为单个数码管配了一个灯，所以只有 SEG9 位有效，SEG10 用不上。
举个例子，假如我要在第二位数码管上显示“1”，从表中看到，GRID2 的 SEG1-SEG8，对应寄存器地址为 0x02，前面我们分析过，显示“1”，就是让 b c 段发光，字节是 0000 0110，所以，往 0x02 写入 0x06（0110）即可，如果还想点亮第二位数码管上面的灯，就向 0x03 写入 0x01（0000 0001）即可。
咱们进一步总结发现，点亮数码管的寄存器地址都是偶数，即 2 * n，假设要控制第一位，地址就是 2 * 0 = 0，要控制第三位，则地址就是 2 * 2 = 4。排序从0开始，即第0位到第7位。
点亮数码管上面的小灯，其寄存器地址是奇数，即 2 * n + 1，例如，要点亮第五位的小灯，寄存器地址为 2 * 4 + 1 = 9，写入 0x80。
2、寻址与写数据
下面说说两种寄存器寻址方式，即设置命令中的
如果是自动增加地址，要发送两条命令：
1、（STB拉低）一个字节，0100 0000，表示自增地址（STB拉高）；
2、（STB拉低）N 个字节，其中第一个字节是首地址，之后是数据。模块会将第一个数据字节写入首地址，然后地址自动 +1，再写第二个，……
例如，0x02 0x81 0x77 0x25，标定首地址是 0x02，把 0x81 写入 0x02；然后地址 +1 变成 0x03，再把 0x77 写入0x03；地址再++，变成0x04，把0x25写入0x04（STB拉高）。
如果是固定地址呢
1、（STB拉低）发送命令 0100 0100，即 0x44（STB拉高）；
2、（STB拉低）写入两个字节，第一个是地址 0x02，第二个是数据0x80（STB拉高）；
3、（STB拉低）写入两个字节，第一个是地址 0x03，第二个是数据 0x77（STB拉高）；
4、（STB拉低）写入两个字节，第一个是地址 0x04，第二个是数据 0x25（STB拉高）。
3、显示控制命令
显示控制命令都是 10xx xxxx 格式，高四位字节都是 1000，参数设置用到的只有低四位。其中，低三位用来设置亮度，表中的“消光数量”说白了就是亮度调整，范围是 0 - 7，因为只有三个二进制位，所以最大值只能是 7。第四位用来设置是否开启数码管的显示，如果为 0 表示关闭数码管显示，就算你把亮度调到7也不会显示；如果为 1 表示开启数码管显示。说简单一点就是，第四位，1 时开显示器，0 是关显示器。
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好了，前面所讲的都是理论介绍，这个模块还有一个扫描按键的功能，这个老周下一篇烂文再扯，本文的重点是说说怎么写显存（显示寄存器），即让数码管显示指定内容。
前文中已经写好了 WriteByte 方法，下面咱们再加一层封装，写个 WriteCommand 方法，用于向 TM1638 发送命令。
void WriteCommand(byte cmd, params byte[] data)
{
// 拉低stb
_gpio.Write(STBPin, 0);
WriteByte(cmd);
if (data.Length > 0)
{
// 写附加数据
foreach (byte b in data)
{
WriteByte(b);
}
}
// 拉高stb
_gpio.Write(STBPin, 1);
}
如果命令只有一个字节，那么传参数时只考虑 cmd 参数，data 参数忽略；如果命令带附加数据，则传给 data 参数。比如上面说的自动增加地址，cmd 传寄存器地址，data 传要写入各个寄存器的数据。
随后，我们再往上封装一层，实现 SetChar 方法，直接设置要显示的数据，以及显示在第几位数码管上。
public void SetChar(byte c, byte pos)
{
// 寄存器地址
byte reg = (byte)(pos * 2);
byte com = (byte)((byte)TM1638Command.SetDisplayAddress | reg);
WriteCommand(com, c);
}
参数 c 表示要写入的数据，也就是一位数码管中各个段的二进制位的值；pos 参数指的显示在第几位，老周买的这个模块有八位数码管，所以，pos 参数的取值范围是 0 到 7。寄存器的地址就是 pos * 2。
为了在初始化时，或者需要时清空所有数码管的显示（所有二进制位置0），还要写一个 CleanChars 方法。
public void CleanChars()
{
int i = 0;
while(i < 8)
{
SetChar(0x00, (byte)i);
i++;
}
}
接下来是控制每位数码管对应的小灯。
public void SetLED(byte n, bool on)
{
byte addr = (byte)(n * 2 + 1); //寄存器地址
// 1100_xxxx
byte cmd = (byte)((byte)TM1638Command.SetDisplayAddress| addr );
byte data = (byte)(on? 1 : 0);
WriteCommand(cmd,data);
}
public void CleanLEDs()
{
int i=0;
while(i<8)
{
SetLED((byte)i, false);
i++;
}
}
n 选择控制第几个灯，和数码管一样，从 0 到 7，on 表示是否点亮，true 点亮否则熄灭。
上面代码用的命令，可以用枚举类型声明，使用时直接访问。
internal enum TM1638Command : byte
{
// 读按钮扫描
ReadKeyScanData = 0b_0100_0010,
// 自动增加地址
AutoIncreaseAddress = 0b_0100_0000,
// 固定地址
FixAddress = 0b_0100_0100,
// 选择要读写的寄存器地址
SetDisplayAddress = 0b_1100_0000,
// 显示控制设置
DisplayControl = 0b_1000_0000
}
为了方便操作，也可以将常用的数字（0-9）的数据用常量声明，使用时直接引用。
public class Numbers
{
public const byte Num0 = 0b_0011_1111; //0
public const byte Num1 = 0b_0000_0110; //1
public const byte Num2 = 0b_0101_1011; //2
public const byte Num3 = 0b_0100_1111; //3
public const byte Num4 = 0b_0110_0110; //4
public const byte Num5 = 0b_0110_1101; //5
public const byte Num6 = 0b_0111_1101; //6
public const byte Num7 = 0b_0000_0111; //7
public const byte Num8 = 0b_0111_1111; //8
public const byte Num9 = 0b_0110_1111; //9
public const byte DP = 0b_1000_0000; //小数点
}
下面是 TM1638 类的完整代码，这里老周选用的是固定地址的寄存器读写方式。
public class TM1638 : IDisposable
{
GpioController _gpio;
// 构造函数
public TM1638(int stbPin, int clkPin, int dioPin)
{
STBPin = stbPin; // STB 线连接的GPIO号
CLKPin = clkPin; // CLK 线连接的GPIO号
DIOPin = dioPin; // DIO 线连接的GPIO号
_gpio = new();
// 将各GPIO引脚初始化为输出模式
InitPins();
// 设置为固定地址模式
InitDisplay(true);
}
// 打开接口，设定为输出
private void InitPins()
{
_gpio.OpenPin(STBPin, PinMode.Output);
_gpio.OpenPin(CLKPin, PinMode.Output);
_gpio.OpenPin(DIOPin, PinMode.Output);
}
private void InitDisplay(bool isFix = true)
{
if (isFix)
{
WriteCommand((byte)TM1638Command.FixAddress);
}
else
{
WriteCommand((byte)TM1638Command.AutoIncreaseAddress);
}
// 清空显示
CleanChars();
CleanLEDs();
WriteCommand(0b1000_1111); //亮度最高 + 开启显示
}
#region 公共属性
// 控制引脚号
public int STBPin { get; set; }
public int CLKPin { get; set; }
public int DIOPin { get; set; }
#endregion
public void Dispose()
{
_gpio?.Dispose();
}
#region 辅助方法
void WriteByte(byte val)
{
// 从低位传起
int i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
// 拉低clk线
_gpio.Write(CLKPin, 0);
// 修改dio线
if ((val & 0x01) == 0x01)
{
_gpio.Write(DIOPin, 1);
}
else
{
_gpio.Write(DIOPin, 0);
}
// 右移一位
val >>= 1;
//_gpio.Write(CLKPin, 0);
// 拉高clk线，向模块发出一位
_gpio.Write(CLKPin, 1);
}
}
void WriteCommand(byte cmd, params byte[] data)
{
// 拉低stb
_gpio.Write(STBPin, 0);
WriteByte(cmd);
if (data.Length > 0)
{
// 写附加数据
foreach (byte b in data)
{
WriteByte(b);
}
}
// 拉高stb
_gpio.Write(STBPin, 1);
}
#endregion
public void SetChar(byte c, byte pos)
{
// 寄存器地址
byte reg = (byte)(pos * 2);
byte com = (byte)((byte)TM1638Command.SetDisplayAddress | reg);
WriteCommand(com, c);
}
public void SetLED(byte n, bool on)
{
byte addr = (byte)(n * 2 + 1); //寄存器地址
// 1100_xxxx
byte cmd = (byte)((byte)TM1638Command.SetDisplayAddress| addr );
byte data = (byte)(on? 1 : 0);
WriteCommand(cmd,data);
}
public void CleanChars()
{
int i = 0;
while(i < 8)
{
SetChar(0x00, (byte)i);
i++;
}
}
public void CleanLEDs()
{
int i=0;
while(i<8)
{
SetLED((byte)i, false);
i++;
}
}
}
下面简单试一下，在第一位数码管上显示4，第四位数码管上显示2，第七位数码管上显示5。并点亮第二、第八盏小灯。
static void Main(string[] args)
{
using TM1638 dev = new(13, 19, 26);
dev.SetChar(Numbers.Num4, 0);
dev.SetChar(Numbers.Num2, 3);
dev.SetChar(Numbers.Num5, 6);
dev.SetLED(1, true);
dev.SetLED(7, true);
}
上传到树莓派上面，运行效果如下图所示。
再给一个例子，咱们读取一下树莓派当前的 CPU 温度，并用数码管显示。
static void Main(string[] args)
{
using TM1638 dev = new(13, 19, 26);
while (true)
{
string result = File.ReadAllText("/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp");
// 还要除以1000
result = (float.Parse(result) / 1000f).ToString("#.00");
Console.WriteLine("计算结果：\"{0}\"", result);
// 拆分字符串，显示各个数字
int len = result.Length;
List<byte> datas = new List<byte>();
for (byte i = 0; i < len; i++)
{
// 小数点不单独占一个位，要忽略
if (result[i] == '.')
{
continue;
}
char ch = result[i];
// 获取显示数据
byte b = Numbers.GetData(ch);
// 如果该位不是最后一位
// 且下一个字符是小数点，则应该点亮 DP
if (i < (len - 1) && result[i + 1] == '.')
{
b |= Numbers.DP;
}
datas.Add(b);
}
for (byte x = 0; x < datas.Count; x++)
{
dev.SetChar(datas[x], x);
}
Thread.Sleep(2000);
}
}
执行 dotnet 命令发布代码。
dotnet publish
执行 scp 命令上传到树莓派。
scp -r bin\Debug\net5.0\publish\* pi@<树莓派地址>:/home/pi/<你自己挑个目录>
然后运行示例程序：dotnet xxx.dll
就能看到CPU的温度了。
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About Joyk
Aggregate valuable and interesting links.
Joyk means Joy of geeK