一步步完成数码管
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开发环境：AVR Studio 4.19 + avr-toolchain-installer-3.4.1.1195-win32.win32.x86
芯片型号：ATmega16
芯片主频：8MHz
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第一步： 产生1ms的时基
说明：
1、使用定时器0的CTC中断产生1ms的时基信号，CTC模式下时自动重装初值、比较方便。
2、使用OCF0中断、不需要OC0引脚输出波形。
代码：
Drv_Timer.h中的相关定义：
// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 定时器中断模式
typedef enum
{
INT_MODE_TOV = 0,
INT_MODE_OCF = 1,
INT_MODE_ICF = 2,
INT_MODE_OCF1A = 3,
INT_MODE_OCF1B = 4
} TIMER_INT_MODE;
// 定时器比较匹配引脚输出模式
typedef enum
{
COM_MODE_NONE = 0,
COM_MODE_TOGGLE = 1,
COM_MODE_CLEAR = 2,
COM_MODE_SET = 3,
} TIMER_COM_MODE;
// 定时器0
typedef enum
{
T0_WGM_NOMAL = 0,
T0_WGM_PHASE_PWM = 1,
T0_WGM_CTC = 2,
T0_WGM_FAST_PWM = 3,
T0_CLK_SOURCE_NONE = 0,
T0_CLK_SOURCE_CLK_1 = 1,
T0_CLK_SOURCE_CLK_8 = 2,
T0_CLK_SOURCE_CLK_64 = 3,
T0_CLK_SOURCE_CLK_256 = 4,
T0_CLK_SOURCE_CLK_1024 = 5,
T0_CLK_SOURCE_T0_FALL = 6,
T0_CLK_SOURCE_T0_RAISE = 7
} TIMER0_MODE;
Drv_Timer.c中的操作函数：
// ==========================================================================================================
// TIMER0 初始化
//
// 参数：wave_mode 工作模式/波形产生模式选择
// OC_mode 比较匹配/PWM输出模式选择
// clk_source 时钟源和预分频选择
//
// 写TCCR0时需要清除bit7=FOC0
//
// 定时器溢出周期 T = ((1.0 / 8000000) * 1000000) * clk_source * 256 ( @ 8MHz )
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_init(const uint8_t wave_mode, const uint8_t com_mode, const uint8_t clk_source)
{
uint8_t wgm00,wgm01;
wgm00 = wave_mode & 0x01;
wgm01 = (wave_mode & 0x02) >> 1;
// 写TCCR0时需要将bit7=FOC0清0
TCCR0 = (wgm00 << 6)| // 工作模式/波形产生模式选择
(wgm01 << 3)|
((com_mode & 0x03) << 4)| // 比较匹配/PWM输出模式选择
((clk_source & 0x07) << 0); // 时钟源和预分频选择
}
// ==========================================================================================================
// TIMER0 中断使能
//
// 参数：int_mode = INT_MODE_TOV 或 INT_MODE_OCF 或 INT_MODE_ICF
// enable = ENABLE 或 DISABLE
//
// 说明：
// 1、OC0引脚要先配置成比较匹配引脚、再修改数据方向寄存器DDB3
// 2、可以单独使能/禁止一种模式的中断
//
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_INT_Enable(const uint8_t int_mode, const uint8_t enable)
{
if(INT_MODE_TOV == int_mode)
{
if(DISABLE == enable)
{
TIMSK &= ~(1 << TOIE0);
}
else
{
TIMSK |= (1 << TOIE0);
}
TIFR |= (1 << TOV0);
return ;
}
if(INT_MODE_OCF == int_mode)
{
if(DISABLE == enable)
{
TIMSK &= ~(1 << OCIE0);
}
else
{
TIMSK |= (1 << OCIE0);
}
TIFR |= (1 << OCF0);
}
}
// ==========================================================================================================
// 设置TCNT0和OCR0的值
//
// (1). 在比较匹配下、OCR0需要在TCNT0被设置之后设置
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_set_TCNT0_OCR0(const uint8_t tcnt0, const uint8_t ocr0)
{
TCNT0 = tcnt0;
OCR0 = ocr0;
}
sys_timer.c中设置定时器0，并在OCF0中断中使用PA1测试定时时间：
#include <avr/interrupt.h>
#include "Drv_Timer.h"
#include "sys_timer.h"
// ==========================================================================================================
// 系统任务定时器
//
// (1). 使用Timer0产生1ms的时标
// 定时周期 T = ((1.0/8000000)*1000000)*64*(124+1) = 1000us = 1ms
//
// ==========================================================================================================
void sys_timer_init(void)
{
// 定时器0初始化：CTC模式、OC0引脚不连接、64预分频
Drv_Timer0_init(T0_WGM_CTC, COM_MODE_NONE, T0_CLK_SOURCE_CLK_64);
// 设置初值：TCNT0=0、OCR0=122
Drv_Timer0_set_TCNT0_OCR0(0, 122);
// 使能OCF0中断
Drv_Timer0_INT_Enable(INT_MODE_OCF, ENABLE);
}
// ==========================================================================================================
// 系统定时器中断
//
// (1). 使用Timer0的CTC中断调度各个任务
//
// ==========================================================================================================
ISR(TIMER0_COMP_vect)
{
PORTA ^= (1 << PA1); // 使用PA1测试定时周期
}
main.c中完成初始化，并设置IO：
// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Drv_Timer.h"
#include "system.h"
#include "sys_timer.h"
#include "config.h"
// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 关全局中断
cli();
// 系统初始化 ( 包含sys_timer_init() )
sys_init();
DDRA |= (1 << DDA0) | (1 << DDA1);
PORTA &= ~((1 << PA0 ) | (1 << PA1 ));
// OC0/PB3初始化为输出0
DDRB |= (1 << DDB3);
PORTB &= ~((1 << PB3 ));
// 开全局中断
sei();
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
while(1)
{
}
return 0;
}
测试结果：
示波器输出如下：
1、PA1引脚输出方波，周期是2*1.0ms，引脚电平每隔1.0ms翻转一次。
使用OCR0=124、计算得到精确的1.0ms，但进入中断函数是需要花费时间的。
所以这里使用稍小的OCR0=122，让从中断产生到进入中断函数为止的时间更精确为1.0ms
有些计时功能会积累时基的误差、越到后面积累的误差越大，所以这里能精确就尽量做的精确些。
到此、1.0ms定时完成。
2、OC0引脚没有波形输出，我们也不需要用到这个引脚，就让他保持普通IO的特性吧。
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第二步： 静态显示
说明：
1、这一步需要根据电路图、在指定的数码管上显示指定的符号。
1、数码管驱动电路图：
电路中使用的是共阴极数码管：
1个数码管有8个LED，称为8段数码管。
共阴的意思是：
1、8个LED的负极都连接在com引脚
2、8个LED的正极对应8个引脚，编号分别为[Dp,g,f,e,d,c,b,a]
数码管的电压和电流：
点亮1个数码管所需的电流需要查看厂家给的数码管数据手册才知道。
如果没有数据手册，可以预估为10-20mA，电压预估为2V。
和普通LED一样、必要的时候需要加限流电阻。
在动态扫描中、每个数码管都是点亮几毫秒熄灭几十毫秒，并非一直点亮，所以不加限流电阻也行，除非是大电流数码管。
数码管的驱动芯片是74HC138和74HC573，他们的驱动电流足够点亮1个数码管：
2、共阴极数码管的点亮方式：
1、在引脚a输入高电平，引脚b-Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[a]被点亮，段[Dp,g,f,e,d,c,b]都不亮。
也就是说、只有输入状态为高电平的段会被点亮。
2、在引脚b、c输入高电平，引脚a、d-Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[b,c]被点亮，段[a,d,e,f,g,Dp]都不亮。
这时得到的图像就是数字‘1‘的图像，对应的段码[Dp,g,f,e,d,c,b,a]=0b00000110=0x06。
3、在引脚a、b、g、e、d输入高电平，引脚c、f、Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[a,b,g,e,d]被点亮，段[c,f,Dp]都不亮。
这时得到的图像就是数字‘2‘的图像，对应的段码[Dp,g,f,e,d,c,b,a]=0b01011011=0x5B。
4、也就是说、com口为低电平的数码管被使能，如果它的段选中有不为0的段，这个段就会被点亮。
3、段码：
1、16个十六进制数字[0-9,A-F]的段码如下：
static const uint8_t segment_code[17]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, // 0 - 9
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71, // A - F
0x00 // 全部熄灭
};
最后一个值0x00就是全部LED段都不亮，用来熄灭数码管上所有LED段。
在电路中、74HC573的输出和输入保持一致，同时输出电流。
将这些段码赋予PORTB口就可以在74HC573的输出同样的电平数据，使得段[Dp,g,f,e,d,c,b,a]上得到对应的电平，对应的LED段就被点亮。
4、位选：
1、通过拉低某个数码管的com口、来使能这个数码管，这称为位选。
8个com口都连接在74HC138上，输出为低电平的引脚上连接的数码管将被选中。
74HC138的输入输出表如下：
在电路中，使用PORTA[2:0]来对应74HC138的输入[A2,A0]。
74HC138的输入[A2,A0]映射到PORTA[2:0]就是下面的数组，用来分别使能第0位到第7位数码管：
static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };
5、代码：
下面的代码用来在第0号数码管上、显示数字"5"。
Mod_LED_display.c：
#include <avr/interrupt.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
// 段码(共阴 == 高电平点亮)
static const uint8_t segment_code[17]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, // 0 - 9
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71, // A - F
0x00 // 全部熄灭
};
// 位码(低电平使能)(使用74HC138选通位选)
// 分别使能第0号到第7号数码管(与之相与(&)来使能)
static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };
// ==========================================================================================================
// LED数码管硬件初始化
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_init(void)
{
// 数码位选选使能(74HC138芯片使能)
DDRC |= (1 << DDC7);
PORTC |= (1 << PC7 );
// 段选控制：PORTB初始化为：输出低电平
DDRB = 0xFF;
PORTB = 0x00;
// 位选控制：PORTA[2:0]初始化为：输出低电平(选中第0号数码管)
DDRA |= (1 << DDA0) |(1 << DDA1) |(1 << DDA2);
PORTA &= ~((1 << PA0 ) |(1 << PA1 ) |(1 << PA2 ));
// LED数码管显示固定的数据 ------------------------------------------------------------------------------
// 清除数码管显示
PORTB = segment_code[16];
// 修改位选
PORTA |= segment_index[7];
PORTA &= segment_index[0]; // 第0号数码管
// 修改显示
PORTB = segment_code[5]; // 数字'5'
}
main.c：
// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
#include "sys_timer.h"
#include "system.h"
#include "config.h"
// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 关全局中断
cli();
// 系统初始化 ( 包含Mod_LED_display_init() )
sys_init();
// 开全局中断
sei();
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
while(1)
{
}
return 0;
}
测试结果：
1、现在可以在任一个数码管上、显示任一个十六进制数了。
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第三步： 动态扫描
说明：
1、由静态显示到动态扫描经过了以下步骤：
(1). 在第一步的1ms定时中断中、每隔1000ms在第0号数码管上显示1个数字，
并依次循环显示16个十六进制数，检验所有段码。
(2). 在第一步的1ms定时中断中、每隔1000ms切换到下一个数码管，去显示一个固定的数字，
并依次循环切换这8个数码管，检验所有位码。
(3). 让8位数码管动态显示数值01234567。
也就是切换到第0号数码管时、显示数字‘0‘，后面的一次类推，每隔1ms切换一个数码管。
(4). 最后、让让8位数码管动态显示任意数值，超过8位的数值当然只能显示低8位(十进制)。
最终的代码经过了几次构造，以方便修改用于控制数码管的IO口。
代码如下：
Mod_LED_display.c：
#include <avr/interrupt.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
// 段码(共阴 == 高电平点亮)
static const uint8_t segment_code[17]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, // 0 - 9
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71, // A - F
0x00 // 全部熄灭
};
// 位码(低电平使能)(使用74HC138选通位选)
// 分别使能第0号到第7号数码管(与之相与(&)来使能)
static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };
// 数码管控制结构
typedef struct
{
uint8_t *seg_index; // 位选端口的数据
uint8_t *seg_code; // 段选端口的数据
uint8_t index; // 使能第index数码管
uint8_t data[sizeof(segment_index)]; // 送给[0:7]号数码管去显示的8个数据
}T_SEG_LED_DISPLAY_CTRL,*pT_SEG_LED_DISPLAY_CTRL;
static T_SEG_LED_DISPLAY_CTRL LED_display_ctrl = { .seg_index = (uint8_t *)(&PORTA),
.seg_code = (uint8_t *)(&PORTB),
.index = 0,
.data = { 0,1,2,3,4,5,6,7 }
};
// 使用指针是为了在代码中使用'->'操作符来替代'.'操作符，更直观
static pT_SEG_LED_DISPLAY_CTRL p_LED_display_ctrl = &LED_display_ctrl;
// ==========================================================================================================
// LED数码管硬件初始化
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_init(void)
{
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 数码管位选使能(74HC138芯片使能)
DDRC |= (1 << DDC7);
PORTC |= (1 << PC7 );
// 段选控制：PORTB初始化为：输出低电平
DDRB = 0xFF;
PORTB = 0x00;
// 位选控制：PORTA[2:0]初始化为：输出低电平(选中第0号数码管)
DDRA |= (1 << DDA0) |(1 << DDA1) | (1 << DDA2);
PORTA &= ~((1 << PA0 ) |(1 << PA1 ) | (1 << PA2 ));
}
// ==========================================================================================================
// LED数码管显示数据的刷新
//
// (1). 在系统定时器中每隔1ms刷新1次
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
#if 1
// 熄灭当前数码管、用来避免余晖
*p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[sizeof(segment_code) - 1];
#endif
// 切换到下1个数码管
p_LED_display_ctrl->index++;
if(p_LED_display_ctrl->index > (sizeof(segment_index) - 1))
{
p_LED_display_ctrl->index = 0;
}
// 修改位选、修改显示
*p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[sizeof(segment_index) - 1];
*p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
*p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];
}
// ==========================================================================================================
// LED数码管显示(十进制)
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display(uint32_t data)
{
uint8_t temp = 0;
uint8_t index = 0;
for(index = 0; index < sizeof(segment_index); index++)
{
// 取出最低位的数据
if(0 == data) { temp = 0; }
else { temp = data % 10UL; }
// 保存最低位的数据
p_LED_display_ctrl->data[sizeof(segment_index) - index - 1] = temp;
// 丢弃最低位的数据
if(0 != data) { data = data / 10UL; }
}
}
// ==========================================================================================================
// LED数码管显示(进制)
//
// 1、可以显示十六进制、以及十六进制以内的进制
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_hex(uint32_t data, uint8_t hex)
{
uint8_t temp = 0;
uint8_t index = 0;
if((hex > 16) || (hex < 2)) { return ; }
for(index = 0; index < sizeof(segment_index); index++)
{
if(0 == data) { temp = 0; }
else { temp = data % hex; }
p_LED_display_ctrl->data[sizeof(segment_index) - index - 1] = temp;
if(0 != data) { data = data / hex; }
}
}
在sys_timer.c中，每隔1ms刷新一次数码管：
// ==========================================================================================================
// 系统定时器中断(中断周期=1ms)
//
// (1). 使用Timer0的CTC中断调度各个任务
//
// ==========================================================================================================
ISR(TIMER0_COMP_vect)
{
Mod_LED_display_update();
}
main.c如下：
// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
#include "sys_timer.h"
#include "system.h"
#include "config.h"
// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 关全局中断
cli();
// 系统初始化
sys_init();
// 开全局中断
sei();
Mod_LED_display(123456789);
// Mod_LED_display_hex(65536, 15);
// ------------------------------------------------------------------------------------------------------
while(1)
{
}
return 0;
}
测试结果：
1、显示中没有余晖(重影)，不亮的段都是白色。
2、操作函数中还提供了一个根据指定的进制来保存和显示数字的函数Mod_LED_display_hex()。
比如Mod_LED_display_hex(65536, 15);就是将十进制数65536按照15进制保存、并显示在数码管上。
数码管上将显示15进制数14641，可以在线进行进制转换、来验证结果：http://tool.oschina.net/hexconvert。
在线转换的结果：
3、这里对数码管的操作是一种三段式的操作：初始化 + 前台更新 + 后台API。
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第四步： 余晖 (重影)
余晖的来源：
1、如果现在正在第0号数码管上显示数字‘E‘(‘E‘的段码是0x79)，然后切换到第1号数码管上去显示数字‘1‘，中间不先将第0号数码管熄灭。
其过程是：修改位码、从第0号数码管切换到第1号数码管，修改段码、将段码由‘E‘的段码0x79改为‘1‘的段码0x06。
切换到第1号数码管只修改了位码，此时的段码依然是‘E‘的段码0x79，此时第1号数码管就会显示数字‘E‘。
接着把段码改为‘1‘的段码0x06，此时、第1号数码管才显示数字‘1‘。
结果是、第1号数码管会先显示一小段时间(几个时钟周期)的数字‘E‘、然后才显示数字‘1‘(1ms)。
显示数字‘1‘的时候、只有段[b,c]被点亮。
显示数字‘E‘的时候、只有段[a,d,e,f,g]会被点亮。
所以、第1号数码管显示数字‘1‘之前，段[a,d,e,f,g]会被点亮一段时间，然后才去点亮段[b,c]，这里有一先一后的顺序。
但对于眼睛来说，由于时间太短，眼睛会认为显示几个时钟周期的数字‘E‘和显示1ms的数字‘1‘是同时发生的。
看的的结果就是、第1号数码管显示数字‘1‘的时候、其他的段[a,d,e,f,g]是微亮的，这就是余晖。
显示数字‘E‘的时间越久、第1号数码管来自第0号数码管的余晖就越明显。
另外、驱动电流越大，数码管越量，余晖也会越亮。
2、上面先修改位选、再修改段选。
如果先修改段选、再修改位选、一样会有余晖产生，如果不先熄灭数码管、让段码为0x00的话。
只是、第1号数码管的余晖来自第2号数码管，而不是第0号数码管。
因为数码管还没有从第1号切换到第2号之前，段码要先改成了第2号数码管要显示的段码。
3、所以在切换数码管之前，需要熄灭数码管，将段码先修改为熄灭显示的段码 0x00。
4、或者、可以关闭数码管，也就是将所有数码管的com口都拉高，熄灭所有数码管。
在段码修改完毕后，再设置下一个数码管的位码，来使能下一个数码管。
上面的电路中、74HC138不能禁止所有数码管，所以只能使用熄灭显示的段码0x00。
使用三极管控制数码管的com口的电路，可以禁止所有数码管。
测试代码：
说明：
1、如果屏蔽下面用于避免余晖的代码，就会有余晖。
2、但为了让余晖更明显，可以在切换到下一个数码管之前，延时几百微妙。
3、下面的代码使用#if 0来使能余晖的产生，并加入延时：
// ==========================================================================================================
// LED数码管显示数据的刷新
//
// (1). 在系统定时器中每隔1ms刷新1次
//
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
#if 0
// 熄灭当前数码管、并保持3个时钟周期的熄灭，用来避免余晖
*p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[sizeof(segment_code) - 1];
#endif
// 切换到下1个数码管
p_LED_display_ctrl->index++;
if(p_LED_display_ctrl->index > (sizeof(segment_index) - 1))
{
p_LED_display_ctrl->index = 0;
}
// 修改位选、修改显示
*p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[sizeof(segment_index) - 1];
*p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
// 切换数码管后，延时一段时间，看看余晖，在修改段码
for(volatile int j = 0; j < 20; j++) {}
// 修改段码
*p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];
}
测试结果：
0、从左到右分别是第0号数码管到第7号数码管。
1、在第3号数码管上、可以明显的看到来自第2号数码管(显示数字‘0‘)的余晖。
在第5、6、7号数码管上、也有明显的余晖。
2、第0号数码管上没有余晖，因为它的上一个数码管(第7号)显示的是数字‘1‘，其余晖被第0号数码管自己显示的数字‘0‘覆盖了。
同样的、第1、2、4号数码管上的余晖也是被覆盖了。
3、延时用的for循环中、有个volatile，用来避免编译器优化掉变量j。
如果被优化掉，这段代码就没了，因为这段代码对AVR-GCC编译器来说、没有什么意义。
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