Задания

1. Цифровой секундомер. Собрать схему с трехцифровым индикатором. Добавить в схему . При нажатии на кнопку, секундомер должен запускать отсчет. При повторном нажатии — останавливать. Дополнительно, к секундомеру можно добавить дробную часть, отображаемую на третьем индикаторе через точку.
2. Цифровой вольтметр для напряжений от 0 до 10 Вольт. Собрать схему с трехцифровым индикатором. Добавить в схему делитель напряжения из двух резисторов на 10 кОм, подключенный к аналоговому входу Ардуино. Написать программу, которая будет каждые 100 мс считывать значение на аналоговом входе, переводить его в Вольты и выводить на индикатор. Для правильного отображения дробной части, необходимо подключить восьмой сегмент — точку.

Заключение

Для аппаратуры с батарейным питанием применение LCD-индикаторов, как правило, считается более предпочтительным, чем светодиодных (LED) из-за большого тока потребления последних. Данный постулат мне кажется совсем не очевидным по следующим причинам: 1) в современных LCD-индикаторах существует подсветка, которая потребляет до 100 мА; 2) они относительно хрупки и боятся прямых лучей солнца; 3) современные LED-индикаторы (особенно superRED и ultraRED) обладают достаточной яркостью даже при токе в 1 мА через них, и при оперативной регулировке яркости в зависимости от условий освещения, средний ток потребления 4-разрядного индикатора получается не более 30 мА даже на улице, что меньше чем потребление подсветки LCD.

Несмотря на обилие в сети схем с динамической индикацией, схему с программной регулировкой яркости на PIC16 я не встречал. В данной статье показан мой скромный взгляд на реализацию такой задачи. Она предназначена, в основном, для радиолюбителей делающих первые шаги от повторения конструкций к самостоятельному программированию микроконтроллеров.

В статье рассматривается способ управления светодиодной матрицей микроконтроллером PIC среднего семейства, используя прерывания от таймеров TMR0 и TMR2. Таймер TMR2 используется для ШИМ-регулирования среднего тока через включенные сегменты. Алгоритм организации работы следующий:

1. Инициализация. Настраиваем порты микроконтроллера в соответствии со схемой подключения индикатора. Для таймеров 1 и 2 включается режим внутреннего тактирования с предделителем, равным 16 . Разрешается прерывания от периферии.

2. Создаем таблицу-знакогенератор для вывода на индикатор цифр и некоторых (преимущественно латинских) букв и знаков.

3. Резервируем два четырехразрядных переменных. В одну заносим последовательно цифровой код (для цифр – просто цифру) необходимого для вывода знака в соответствии с таблицей из п.2. В другую переменную передаются преобразованные значения из таблицы для постоянного высвечивания на индикаторе.

4. В прерывании от TMR0 последовательно высвечиваются разряды знаков в соответствии с таблицей. Перед сменой разрядов индикатор гасится. В каждом прерывании высвечивается один разряд. После этого обнуляется таймер TMR2, сбрасывается флаг прерывания от TMR2 и разрешаются от него прерывания.

5. В прерывании от TMR2 гасится индикатор и запрещается прерывание от TMR2.

6. В основной программе осуществляется регулировка периода прерывания от TMR2, а значит, времени включенного состояния индикатора путем занесения в регистр PR2 чисел от 7 до 255 в десятичном исчислении по формуле X(n+1)=2*X(n)+1. Получается шесть градаций яркости с разницей между ними в 2 раза. При PR2=255 длительность максимальна (4мс из 4мс), при PR2=7 длительность равна примерно 0.25мс.

Для демонстрации указанного принципа управления, ниже приводится схема на недорогом PIC16F628A и тестовая программа на Ассемблере, которая выводит на индикатор слово «test». При нажатии на кнопку, на индикаторе высвечивается яркость (условно цифрами от 0 до 5). При последующих нажатиях, яркость изменяется по кругу и это сразу видно на индикаторе. Сразу хочу предупредить начинающих: моделирование схемы на симуляторе типа Proteus не позволит увидеть изменение яркости в силу особенностей этой программы (Proteus). Макет схемы для проверки и экспериментов придется собирать в «железе». Впрочем, для наблюдения собственно за организацией динамической индикации (кроме изменения яркости) Proteus-модель прилагается.

Потребление схемы при минимальной яркости менее 4 мА, при максимальной – около 80 мА.

В архиве приведена тестовая программа на Ассемблере MPASM.

Для упрощения схемы и освобождения «ног» для различных действий, применена конфигурация с внутренним генератором и внутренним сбросом. При этом, у тех, что пользуется самодельным программатором без возможности подачи сигнала MCLR раньше Upp, могут быть проблемы с последующими верификацией, чтением и стиранием. Тем, кто не уверен в своем программаторе, а так же если требуется высокая стабильность генератора, можно установить кварц 4 МГц по типовой схеме с выбором в конфигурации “OSC_XT”. В случае, если в конечной схеме требуются прерывания с вывода INT0 (RB0), запятой можно управлять посредством вывода RA4, для индикатора с ОА индикатор к этому выводу подключается напрямую, несмотря на то, что он открытый. Освободившийся вывод RB0 можно использовать по назначению. В программу, в прерывании от TMR0, этом случае, добавляется после “movwf PORTB” код:

Andlw b"00000001" bsf PORTA,4 погасить запятую btfsc STATUS,Z учитываем, что в W инверсное знач. bcf PORTA,4 если 0-й бит = 0, зажечь запятую

Небольшие пояснения к программе:

Выводимое число помещается в переменные OUT_ - OUT+3 в соответствии с разрядом, а с нее в подпрограмме out__ после преобразования помещается в OUT_LED. Конечно можно было бы обойтись без переменной OUT_ и везде для вывода писать:

Movlw X call Table_s movwf OUT_LED

Однако, в исходном виде все гораздо проще и понятнее (поместил в OUT_ и забыл), а так же при множественных выводах с разных мест программы получается экономия кода (4 слова на 1 вывод) – думается хорошая компенсация за лишние 4 байта ОЗУ.

То же самое касается и вывода запятой через переменную comma_.

В подпрограмме-таблице Table_s приняты меры для корректной работы при помещении ее в любое место памяти программ без ограничений на пересечение блоков 256 байт.

Переменная pause_ в прерывании от TMR0 используется для задания временных интервалов 4 мс.

Остальное, я думаю, понятно из алгоритма и комментариев.

P.S. Для 2 или 3 разрядов в программе требуется произвести минимальные изменения, которые, думается, по силам даже для начинающих. Для управления индикатором с количеством разрядов от 5 до 8 необходимо или применить контроллер с большим количеством выводов или же для управления разрядами применить дешифратор 3 на 8.

В первом случае изменения в программе также минимальны (применение вместо порта А другого порта и т.д.). В случае применения дешифратора программа в части прерывания от TMR0 изменится довольно серьезно.

Список радиоэлементов

Практическая работа №2

Тема : Разработка схемы динамической индикации.

Цель : Получить практические навыки проектирования элементов индикации цифровых устройств.

Задание : Разработать электрическую принципиальную схему цифрового семисегментного светодиодного дисплея на основе микроконтроллера в соответствии с техническим заданием.

Краткие теоретические сведения

Для вывода цифровой и символьной информации во встроенных системах используются семисегментные и матричные индикаторы. Семисегментные индикаторы бывают жидкокристаллического и светодиодного типов.

Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой восемь светодиодов с соединенными катодами или анодами. Сегменты обозначаются буквами A,B,C,D,E,F,G,H как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

Свечение сегмента возникает при подаче на общий вывод положительного напряжения, а на катод - нулевого.

Существует два способа организации интерфейса с дисплеем: статический и динамический. Недостатком первого является необходимость большого количества линий управления (количество разрядов портов микроконтроллера) - по 8 на каждый индикатор.

При динамическом способе индикации требуется количество разрядов равное сумме количества сегментов и количества разрядов.

Динамический способ является импульсным и основан на том, что если «мерцание» производится с частотой 50Гц и более, то свечение представляется человеку постоянным. Этот способ требует минимальных аппаратных затрат, обработка динамического дисплея, в том числе и преобразование кодов производится программно.

В динамическом дисплее одноименные сегменты всех индикаторов включены параллельно, образуя сегментную шину, а общие аноды индикаторов образуют шину выбора индикаторов. Таким образом, требуется значительно меньшее количество линий, чем при статическом методе.

Обработка дисплея заключается в поочерёдной выдаче на шину сегментов позиционных семисегментных кодов символов и синхронным включением (выбором) индикаторов.

Схема четырехразрядного динамического индикатора представлена на рисунке 3 . Сегментная шина подключена к порту С микроконтроллера, а четыре младших разряда порта D являются разрядами выбора разрядов индикатора.

Очевидно, что индикатор должен обрабатываться программой. Программа выдает в порт С семисегментный код символа для правого (младшего) разряда индикатор, а разряд РС0 устанавливает в нулевое состояние. Происходит включение младшего разряда индикатора (нулевой уровень открывает транзистор VT3).

Таким образом, сигнал на одной линии выбора представляет собой импульсную последовательность со скважностью равной числу индикаторов.

При частоте «мерцания» 50Гц период импульсов равен 20мс.

Рисунок 2

Рисунок 3 – Электрическая схема динамической индикации

На рисунке 2 представлены временные диаграммы сигналов выбора для четырехразрядного дисплея. Время свечения одного индикатора 5мс.

Так как глаз человека «усредняет» силу света импульсного характера, то для получения нормальной яркости амплитуда тока протекающего через сегменты, должна быть большей, чем при статической индикации. Характеристика зависимости силы света от величины тока является нелинейной.

Амплитуда импульса тока в цепи выбора индикатора должна быть в 8 раз (по числу сегментов) больше амплитуды тока в сегменте.

На рис. 2 представлена схема динамического четырехразрядного дисплея, выполненного на семисегментных цифровых индикаторах.

Шина сегментов SA-SH образована выводами порта Р2 микроконтроллера, а четыре младших разряда порта Р1 образуют шину выбора индикаторов (SELI-SEL4). Дисплей обрабатывается программным модулем следующим образом. В порт Р2 загружается семисегментный код символа правого индикатора (HG4). Усиленный элементом DD2 этот ток поступает на шину сегментов а,Ь,с... Затем в младшую тетраду порта Р1 загружается код выбора (включения) индикатора HG4: SEL1=0 , SEL2 -SEL4=1 (шестнадцатиричное значение Е). Ток логического нуля, усиленный элементом DD2, по проводу 11 протекает через резистор R7 и открывает транзистор VT4. Остальные транзисторы выключены. Напряжение питания +5В поступает через открытый транзистор на общий анод индикатора HG4, вызывая индикацию символа. Такое состояние сохраняется в течение времени 5мс. По окончании этого временного интервала МК выдает на разряд порта SEL1 высокий уровень, транзистор VT4 закрывается и ключ VT3 и индицируется символ в этом разряде свечение разряда прекращается. Затем в порт Р2 выдается семисегментный код символа индикатора HG3, а в состояние низкого уровня устанавливается разряд Р1.1. Тем самым включается дисплея и т.д.

Временной интервал, соответствующий времени свечения индикатора, может использоваться для реализации функции управления объектом.

Преобразование двоичного кода выводимых данных в семисегментный код индикатора производится программно с помощью массива семисегментных кодов. Элементами массива являются семисегментные коды символов. В соответствии со схемой, сегмент будет находиться во включенном состоянии, если на него подать низкий уровень напряжения. Из этого соображения составляется содержимое таблицы 2.

Таблица 2 – Семисегментные коды

Задание

1. Разработать электрическую принципиальную схему динамического цифрового семисегментного дисплея.

2. Выполнить чертеж схемы электрической принципиальной согласно ГОСТ ЕСКД.

3. Обосновать выбор схемотехнических решений.

4. Исходные данные для проектирования представлены в таблице вариантов 2. Для расширения разрядности портов параллельного ввода-вывода микроконтроллера использовать микросхемы сдвиговых регистров. Для управления линиями выбора индикатора использовать двоично-десятичный индикатор. Для усиления сигналов выбора разряда индикации использовать транзисторные ключи.

Таблица 2 – Исходные данные

Д ля того чтобы отобразить многоразрядное число на индикаторе с ним нужно предварительно провести хитрую манипуляцию, заключающуюся в разбивке числа на его составляющие. В качестве примера приведу отображение числа 1234 на счетверенный семисегментный индикатор с общим анодом.

Dim W As Integer
Dim N1 As Byte
Dim N2 As Byte
Dim N3 As Byte
Dim N4 As Byte
Dim M1 As Integer
Dim M2 As Integer
Dim M3 As Integer
Dim M4 As Integer

DDRC = &B11111111
DDRD = &B11111111

DDRC =& B 00001111 и DDRD = & B 01111111 (четыре первых ноги порта С под аноды и шесть первых порта D под сегменты).

Затем присваиваем переменной W то значение, которое собираемся вывести на индикатор:

W = 1234

"Arial","sans-serif""> В основном цикле программы присваиваем переменным М значение переменной W , я делаю так:

M1 = W
M2 = M1
M3 = M1
M4 = M1

"Arial","sans-serif""> Это не паранойя)), это сделано с той целью, чтобы в во всех переменных М лежало одно и тоже число, так как во время операции присваивания легко может ворваться прерывание (если такое имеется и не отключено), в обработчике которого переменная W может измениться. И в случае если присваивание шло таким образом: М1= W , M 2= W , M 3= W , M 4= W в переменных М будут лежать разные значения что приведет к каше в показаниях.

После присвоения переменным значения начинаем работать с
каждой из них, преобразуя таким образом, чтобы в переменную N попало то значение, которое будет
отображаться на индикаторе: в переменной N 1 должна оказаться «1», в N 2 – «2», в N 3 – «3», а в N 4 – «4».

M1 = M1 / 1000 " M1 = 1234/1000 = 1,234
N1 = Abs (m1) " N1 = Abs (1,234) = 1

Abs – функция возвращающая целое число переменной.В переменную N 1 попала единица, что собственно и требовалось.

Для присвоения двойки переменной N 2 операция будет немного сложнее:

M2= M2 Mod 1000 " M2 =1234 Mod 1000 = 234
M2 = M2 / 100 " M2 = 234 / 100 = 2,34
N2= Abs (m2) " N2 = Abs (2,34) = 2

"Arial","sans-serif""> Для начала функцией Mod мы возвращаем переменной первые три
цифры числа (остаток от деления на 1000), а дальше все как в первом случае.

С двумя последними разрядами практически тоже самое:

M3 = M3 Mod100
M3 = M3 / 10
N3 = Abs (m3)

M4 = M4 Mod 10
N4= Abs (m4)

Теперь в наших переменных лежат те значения, которые мы хотим отобразить, самое время микроконтроллеру подрыгать ногами и вывести эти значения на индикатор, для этого вызываем подпрограмму обработки индикации:

"Arial","sans-serif"">

Gosub Led

"Arial","sans-serif"">Процессор перепрыгнет на подпрограмму с меткой Led :

Led:

Portc = &B00001000

"Arial","sans-serif""> Здесь подаем высокий уровень на PORTC .3 , к этой ноге у нас подсоединен анод первого разряда. Затем выбираем, какие сегменты необходимо зажечь, чтобы отобразить значение первой переменной. Она у нас единица поэтому ноль будет на ногах Portd .1и Portd .2, что соответствует сегментам B и С индикатора.

Select Case N1









End Select
Waitms 5

"Arial","sans-serif""> После того как зажгли нужные сегменты ждем 5 мс и переходим к отображению следующих чисел:

Portc = &B00000100
Select Case N2
Case 0 : Portd = &B11000000
Case 1 : Portd = &B11111001
Case 2 : Portd = &B10100100
Case 3 : Portd = &B10110000
Case 4 : Portd = &B10011001
Case 5 : Portd = &B10010010
Case 6 : Portd = &B10000010
Case 7 : Portd = &B11111000
Case 8 : Portd = &B10000000
Case 9 : Portd = &B10010000
End Select

Waitms 5

Portc = &B00000010

Select Case N3
Case 0 : Portd = &B11000000
Case 1 : Portd = &B11111001
Case 2 : Portd = &B10100100
Case 3 : Portd = &B10110000
Case 4 : Portd = &B10011001
Case 5 : Portd = &B10010010
Case 6 : Portd = &B10000010
Case 7 : Portd = &B11111000
Case 8 : Portd = &B10000000
Case 9 : Portd = &B10010000
End Select

Waitms 5

Portc = &B00000001

Select Case N4
Case 0 : Portd = &B11000000
Case 1 : Portd = &B11111001
Case 2 : Portd = &B10100100
Case 3 : Portd = &B10110000
Case 4 : Portd = &B10011001
Case 5 : Portd = &B10010010
Case 6 : Portd = &B10000010
Case 7 : Portd = &B11111000
Case 8 : Portd = &B10000000
Case 9 : Portd = &B10010000
End Select

Waitms 5

"Arial","sans-serif""> После отображения информации на индикаторе необходимо возвратится в основной цикл программы, где нужно завершить цикл и обозначить конец программы.

"Arial","sans-serif"">Вот что получим в итоге:

"Arial","sans-serif"">

"Arial","sans-serif""> За счет маленькой задержки переключения не будут заметны человеческому глазу и мы увидим целое число 1234.

Скачать исходник и проект в протеусе можно ниже: "Arial","sans-serif"">

Динамическая индикация - это одна из проблем, с которой сталкиваются начинающие программисты микроконтроллеров. О ней сказано многое, но я решил подкрепить известное картинками и примерами исходных текстов на Си, чтобы было проще освоить этот метод индикации.

1 Основы основ, или вступление

Прежде всего, определимся с терминологией, которой будем пользоваться на протяжении всей статьи.

Если требуется управлять дисплеем, состоящим из единственного семисегментного знакоместа, это не вызывает никаких проблем - его можно представить, как 8 независимых светодиодов. Если требуется вывести информации побольше, чем единственный символ, начинаются проблемы: 2 знакоместа составляют 16 светодиодов, три - 24 и т.д., то есть уже для трехразрядного дисплея может элементарно не хватить выводов микроконтроллера, не говоря о 6-и или более разрядных дисплеях и, тем более, матричных индикаторах.

Условимся для простоты, что все наши индикаторы с общим катодом. Решение проблемы достаточно простое: соединяют выводы сегментов всех индикаторов между собой. Теперь, если требуется вывести информацию в первое знакоместо, следует подать на линии сегментов нужные уровни, а общий вывод первого индикатора соединить с общим проводом схемы. Разумеется, на общих катодоах всех прочих индикаторов должны присутствовать высокие уровни. Очевидно, что нужные сегменты первого индикатра засветятся. Для вывода на второй, третий и т.д. индикаторы следует поступить аналогично, т.е. подавая на один из общих катодов логический ноль, мы выбираем текущий индицируемый разряд, а состояние линий сегментов определяет видимый символ.

Чтобы весь дисплей воспринимался, как светящийся непрерывно, следует переключать разряды быстро - чаще 25 раз в секунду. Как видим, уровни всех выводов (которых, кстати, стало существенно меньше, чем при обычном подходе) непрерывно изменяются, т.е. имеют не статические уровни, а динамические, отсюда и название способа индикации - динамическая.

Изображение при динамической индикации

2 Разновидности аппаратной реализации

2.1 Плоские матрицы

Если абстрагироваться от семисегментных индикаторов, то наш дисплей можно представить в виде матрицы отдельных светодиодов, аноды которых объединены в строки матрицы, а катоды - в столбцы. Собственно, именно так оно и есть.

Очевидно, что подавая нужные уровни на строки и столбцы нашей матрицы, мы можем зажечь любой элементарный светодиод-сегмент (он же пиксел - это более традиционный термин применительно к матричным дисплеям). В зависимости от того, как именно мы будем сменять уровни на строках и столбцах, мы можем получить несколько разновидностей динамической индикации:

• по строкам;
• по столбцам;
• посегментно (попиксельно);
• смешанным образом.

Вариант по столбцам мы расмотрели в предыдущей главе. Вариант по строкам отличается от него илшь тем, что строки и столбцы нашей матрицы меняются местами. Посегментный способ заключается в том, что в любой момент времени только на одной строке и на однойм столбце присутствует уровень, необходимый для зажигания светодиода. То есть в любой момент времени может светиться лишь один светодиод всей матрицы (в отличие от предыдущих вариантов, когда одновременно может светиться целиком вся строка или весь столбец). Этот способ напоминает развертку телевизора, когда луч обегает весь экран, засвечивая в нужных местах люминофор. Смешанный вариант, как следует из самого названия, состоит в том, что одновременно «активные» уровни могут присутствовать сразу на нескольких строках и столбцах.

Первые два варианта очень легко реализуются, и потому нашли широкое распространение. Третий вариант используется реже, т.к. требует более высоких скоростей обновления информации на строках и столбцах, да и средний ток через сегмент (т.е. яркость сегмента) в этом случае существенно ниже, чем в прочих. Последний смешанный способ наименее распространен, хотя и имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, для этого способа необходимо, чтобы в цепях строк и столбцов использовались источники стабильного тока, иначе яркость светящихся сегментов неизбежно будет зависеть от их общего числа. Да и вычисление комбинаций сигналов на строках и столбцах не очень просто дается.

2.2 Многомерные матрицы

Рассмотренные нами примеры предполагают реализацию монохромного дисплея, т.е. состоящего из одноцветных светодиодов. Как же быть, если требуется получить многоцветный дисплей, например, из RGB-светодиодов? Напрашивается два варианта решения.

Первый - это просто увеличить число строк (или столбцов) нашей матрицы, рассматривая каждый RGB-светодиод как 3 независимых отдельных светодода. Большой минус этого подхода - увеличение в 3 раза числа строк (или столбцов). На простом примере легко видно, во что это выливается практически: при помощи двух восьмиразрядных протров микроконтроллера мы можем иметь монохромную матрицу 8х8 сегментов или цветную 4х4. Согласитесь, что во втором случае ничего вразумительного отобразить практически нельзя...

Второй способ - это перейти от «плоской» матрицы сегментов к «многомерной». Если сигнал каждой строки пропустить через мультиплексор 1х3, то систему дисплея из RGB-светодиодов мы можем представить как 3 независимых матрицы исходной размерности: каждая матрица состоит из светодиодов одного цвета, а сигналами управления мультиплексорами мы выбираем нужную матрицу. Рисунок поясняет сказанное.

Очевидно, что в случае многомерной матрицы так же требуется дополнительное количество линий управления, однако, это число не так велико: на тех же двух портах контроллера мы можем получить цветной дисплей 7х7!!!

2.3 Способы уменьшения размерности матриц

Если число выводов микроконтроллера очень ограничено, нам придется искать способы уменьшить число строк и столбцов нашей матрицы. Разумеется, чудес не бывает, и в этом случае нам придется заплатить тем, что кроме микроконтроллера будут применяться дополнительные микросхемы. Как вы уже догадались, тут можно использовать ранее рассмотренный способ «многомерных» матриц - ведь никто не запретит нам вместо RGB-светодиодов просто использовать утроенное количество одноцветных? Главное, расположить их соответствующим образом...

Итак, уменьшить размерность матрицы мы можем, применив:

• дешифраторы или мультиплексоры;
• сдвиговые регистры.

С мультиплексорами мы уже познакомились ранее, дешифратор , как вы можете догадаться, от мультиплексора отличается непринципиально. Следует лишь дополнить, что используя дешифраторы/мультиплексоры и для строк и для столбцов, можно добиться согращения размерности матрицы сразу по обеим измерениям, однако в этом случае может потребоваться использовать только посегментную динамическую индикацию, со всеми ее недостатками.

Сдвиговые регистры могут помочь намного лучше дешифраторов. Рассмотрим схему на рисунке ниже.

Легко видеть, что любое количество строк и столбцов потребует только увеличения числа регистров, а число задействованных линий управления микроконтроллера останется прежним! Небольшим минусом данного подхода является то, что по мере роста числа регистров в цепочке придется увеличивать скорость последовательного вывода информации в них, что не всегда легко достижимо. Так, например, распространенные микроконтроллеры семейства AVR , практически не позволяют превзойти скорость последовательного вывода в 10 мегабит/сек. С другой стороны, если применять иные контроллеры, способные выдавать сигналы быстрее, могут начаться проблемы другого порядка: распространение высокочастотного тактового сигнала по длинной линии (а при большом числе регистров она неизбежно будет таковой) происходит совсем не так, как низкочастотного, поэтому потребуются особые меры при разводке печатной платы и другие вещи, которые в рамках данной статьи мы рассматривать не будем.

3 Способы программной реализации

Рассматривать программную реализацию всех упомянутых вариантов динамической индикации мы не будем - это необоснованно раздует статью. Мы ограничимся лишь тремя наиболее «ходовыми» примерами: плоская матрица с непосредственным управлением строками и столбцами, то же самое с применением дешифратора, и, наконец, вариант с применением сдвиговых регистров. Во всех случаях особое внимание будет уделяться всяким нюансам программной реализации, то есть код на Си будет сопровождаться пояснениями только в тех случаях, когда это совпадает с намерением автора, а отнюдь не с вашим уровнем подготовки. Этим я намекаю, что основы Си вы должны знать и без меня.

Для всех примеров условимся, что наш дисплей построен на семисегментных индикаторах с общим катодом.

3.1 Простейший способ

Очевидно, что в программе было бы наиболее удобно иметь некий массив, содержимое котрого однозначно определяло бы то, какие сегменты в каких знакоместах дисплея светятся - эдакий аналог экранного ОЗУ.

Введем определение следующих констант:

#define SCR_SZ 6 /* число знакомест дисплея */ #define ROWS PORTB /* порт «строк» дисплея, т.е. управления сегментами */ #define COLS PORTD /* порт управления «столбцами», т.е. общими катодами */

Теперь объявим массив-экран:

Unsigned char SCR;

Для начала будем считать, что каждый элемент массива соответствует знакоместу дисплея, а каждый бит этого элемента соответствует определенному сегменту индикатора. Какой бит какому сегменту соответствует - в данном случае не важно, как не важно и то, как эти биты устанавливаются в байтах нашего массива, просто будем пока считать, что они там уже есть. Так же для простоты будем считать, то общие катоды подключены к выводам порта COLS последовательно: младший бит - самый правый индикатор, затем второй, затем третий и т.д.

Как же заставить этот массив «отобразиться» на дисплее? Напишем такой код:

< SCR_SZ; pos++){ ROWS = SCR; COLS = ~(1 << pos); }

Будет ли он выполнять требуемую функцию? Да. Но плоховато.

Прежде всего, обратите внимание, что мы никак не управляем скоростью обновления содержимого строк и столбцов. Во-вторых, обратите внимание, что к моменту вывода нового элемента массива в ROWS на линиях COLS еще присутствует старое значение! К чему это приведет? Да к тому, что какую-то долю секунды на знакоместе будут отображаться сегменты соседнего знакоместа, т.е. некоторые сегменты будут ложно засвечены.

Избежать этого эффекта можно так: перед тем, как обновить содержимое ROWS , всегда погасить то знакоместо, которое было предыдущим. Чтобы не заморачиваться с определением предыдущего знакоместа, можно гасить сразу все. Итак, наш код принимает следующий вид:

Unsigned char pos; while(1) for(pos = 0; pos < SCR_SZ; pos++){ COLS = 0xFF; ROWS = SCR; COLS = ~(1 << pos); delay(); }

Мы добавили гашение всего дисплея перед тем, как обновить состояние линий сегментов (подав высокий уровень на общие катоды, мы погасим индикатор не зависимо от того, что присутствует на анодах) и ввели задержку в конце цикла. Теперь индикация будет работать существенно лучше. Но хорошую ли программу мы написали? Увы, нет.

Дело в том, что бесконечный цикл индикации while просто не позволит нам сделать что-то еще. Что ж за программа такая у нас выйдет, которая только и умеет, что что-то выводить на индикатор?! Конечно, все плохо не на все 100%, так как что-то полезное можно делать по прерываниям... да и вместо задержки delay() можно выполнять какие-то действия... Но все это очень и очень криво: в обработчиках прерывания не желательно выполнять что-то сложное и громоздкое; с другой стороны, если что-то сложное и громоздкое делать вместо задержки, то сложно обеспечить одинаковость времени вычислений, в противном случае получится, что знакоместа светятся в течение разного промежутка времени, что визуально будет выглядеть как разнояркое их свечение или мерцание.

В общем, этот вариант можно допустить лишь в виде исключения только в качестве учебного примера или в том случае (но пять-таки, только в виде исключения!), когда основная решаемая задача очень проста (такой может быть, например, задача измерения при помощи АЦП напряжения и вывод его на дисплей).

Как же следует поступать? Ответ, как всегда, прост: все процессы, которые должны выполняться незаметно от решения основной задачи (а индикация, безусловно, является таким процессом), следует выполнять по прерываниям от таймера.
Прерывания будут поступать через строго определенные промежутки времени, что обеспечит равномерность свечения знакомест. Фоновая индикация позволит нам в главном цикле просто записать в нужный момент что-то в массив SCR - и оно мгновенно отобразится на дисплее! А все переделки кода сведутся к тому, что вместо циклов мы используем функцию-обработчик прерывания:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; COLS = 0xFF; ROWS = SCR; COLS = ~(1 << pos); if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Несколько комментариев.

Переменную pos , обозначающую номер текущего светящегося знакоместа, мы делаем локальной статической переменной, чтобы она сохраняла свое значение от прерывания к прерыванию. В конце функции мы самостоятельно (ведь цикла у нас больше нет) увеличиваем номер знакоместа до тех пор, пока не достигнем предела - в этом случае переходим снова к началу.

В основной программе нам надо будет лишь проинициализировать порты и таймер (в данном случае - Timer 0 ), чтобы он переполнялся через нужные нам промежутки времени, да разрешить прерывания. После этого об индикации можно не вспоминать - она будет тихо-мирно работать сама по себе. Но как определить нужный интервал переполнения таймера? Очень просто. Человеческий глаз воспринимает мерцание с частотой более 25 Гц, как непрерывное свечение. Индикаторов у нас 6, каждый из них должен мерцать с такой частотой, значит, обновление информации на дисплее должно происходить с частотой 25 х 6 = 150 Гц или более. Теперь рассчитаем значение предделителя таймера: поделим тактовую частоту МК на 256 (Timer 0 у всех AVR восьмибитный, а значит, переполняется, досчитав до 256) - это и будет желаемое значение предделителя таймера. Разумеется, маловероятно, что результат получится совпадающим с одним из стандартных значений предделителя - это не проблема, можно взять ближайшиее меньшее подходящее значение. Индикация будет работать на более высокой частоте, но ведь это не ухудшит ее качество! Побочным эффектом будет большая загрузка ядра МК на индикацию. Если это будет сильно мешать основной программе - придется перевести индикацию на другой таймер, например, 16-битный Timer 1 , или ввести счетчик пропускаемых переполнений таймера:

#define SKIP 15 /* число пропускаемых прерываний таймера */ ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; static unsigned char skip = SKIP; if (--skip) return; skip = SKIP; COLS = 0xFF; ROWS = SCR; COLS = ~(1 << pos); if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

В этих упрощенных примерах мы считаем, что к порту COLS , кроме общих катодов индикаторов, ничего больше не подключено. Однако, в реальной жизни такое счастье выпадает нечасто, и к оставшимся линиям этого порта скорее всего подключено что-то иное. Поэтому при организации динамической индикации следует всегда обеспечивать неизменность состояния всех линий портов, не занятых непосредственно в индикации. Делается это просто: вместо обычной записи в порт новго значения следует использовать маскирование ненужных битов:

COLS |= 0x3F; // так гасим все знакоместа COLS &= ~(1<

Оба оператора не изменяют значение старших битов порта COLS .

3.2 Способ с дешифратором

Дешифратор может использоваться либо для преобразования HEX или BCD кода в семисегментные символы, либо для выбора одного из столбцов матрицы. Оба варианта будут отличаться от рассмотренного ранее простейшего способа лишь тем, как будет организован вывод в порты ROWS и/или COLS , к которым будут подключены входы дешифратора.
Вариант использования дешифратора для получения семисегментного символа:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; COLS |= 0x3F; ROWS = (ROWS & 0xF0) | (SCR & 0x0F); COLS &= ~(1 << pos); if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Как видите, изменения минимальны - перед тем, как вывести в ROWS код символа из массива SCR , маскируются старшие биты, после чего младшие устанавливаются в соответствии с кодом символа. То есть мы считаем, что дешифратор подключен к 4-ем младшим битам порта ROWS .

Приводить пример для дешифрации столбцов, надеюсь, смысла нет - все и так понятно.

3.3 Способ с регистрами

Хотя динамическая индикация при помощи сдвиговых регистров принципиально не отличается от ранее рассмотренных способов, есть несколько вариантов ее реализации. Мы рассмотрим наиболее простой - вывод битов чисто программными средствами. А в реализации других (с использованием USI /USART /SPI /TWI ) вы можете попробовать свои силы самостоятельно.

Для варианта ранее выбранного дисплея из 6-и семисегментных знакомест мы используем 2 сдвиговых регистра типа 74HC595 . Управляется этот регистр тремя сигналами: тактовые импульсы последовательного ввода данных CLK , собственно данные DATA и импульс одновременного параллельного вывода записанной в регистр информации SET . Объявим соответствующие макросы (для простоты, все сигналы «заведем» на один порт):

#define CLK _BV(PB0) #define DATA _BV(PB1) #define SET _BV(PB2) #define REG_PORT PORTB

Для записи в регистр удобно написать отдельную функцию:

Static void shift(unsigned char d){ unsigned char i; for (i=0; i < 8; i++){ // устанавливаем нужный уровень DATA if(d & 1) REG_PORT |= DATA; else REG_PORT &= ~DATA; REG_PORT |= CLK; // даем импульс CLK REG_PORT &= ~CLK; d >>= 1; } }

Крайне желательно эту функцию делать статической, т.к. она будет использоваться в обработчике прерываний. Статические функции компилятор скорее всего сделает в виде inline -вставок в обработчик прерывания, т.е. никакого лишнего использования стека не будет, чего не гарантируется для нестатических функций.

Теперь наш обработчик прерывания станет выглядеть так:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; shift(SCR); shift(~(1<< pos)); REG_PORT |= SET; // выдаем импульс SET REG_PORT &= ~SET; if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Так как записанные в регистры данные появляются на его выходах одновременно, нет нужды предварительно гасить индикаторы. Следует помнить, что программный последовательный вывод - достаточно долгий процесс, особенно для матриц больших размерностей, поэтому следует максимально оптимизировать его по быстродействию. Лучше всего это можно сделать, используя аппаратные средства последовательного вывода, имеющиеся в МК.

4 Для тех, кому всегда всего мало

Итак, вы познакомились с основами реализации динамической индикации. Но, как обычно, вопросов не убавляется, а прибавляется. Предвидя некоторые из них, попробую сразу же дать нужные ответы.

4.1 Аноды, катоды - что выбрать?

Все, что мы рассматривали ранее, относилось к индикаторам с общими катодами. А если требуется использовать с общими анодами? В общем, все остается по-прежнему, кроме того, что перед выводом нужно будет проинвертировать данные - гашение знакоместа осуществлять выводом нулей в COLS , зажигание - соответственно, единиц, а сегменты в ROWS будут включаться нулями вместо единиц. Так что обработчик прерывания станет примерно таким:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; COLS &= 0xC0; ROWS = ~SCR; COLS |= (1 << pos); if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Все просто. Если, конечно, не стараться написать универсальный код, пригодный и для общих анодов, и для общих катодов. Сделать это можно двумя способами: либо при помощи директив условной компиляции, либо при помощи функции преобразования. Первый вариант я продемонстрирую, а над вторым предлагаю подумать самостоятельно.

#define COMMON_ANODE 1 ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; #if COMMON_ANODE != 1 COLS &= 0xC0; ROWS = ~SCR; COLS |= (1 << pos); #else COLS |= 0x3F; ROWS = SCR; COLS &= ~(1 << pos); #endif if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Это хоть и немного громоздко, зато, написав это один раз, вы сможете использовать во всех проектах практически без изменений.

4.2 Мерцание

Во многих случаях дисплей используется не только как средство отображения информации, поступающей изнутри устройства, но и для отображения вводимой пользователем информации. А в этом случае необходимо иметь возможность как-то отделить неизменное от изменяемого на дисплее. Проще всего это сделать, заставив мерцать соответствующее знакоместо (или несколько знакомест).

Сделать это очень просто. Введем глобальную переменную, каждый единичный бит которой будет обозначать мигающее знакоместо:

Теперь немного модифицируем обработчик прерывания:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; static unsigned char entry = 0; COLS |= 0x3F; if(!(blink & (1<

Как видите, добавлена всего одна статическая переменная - счетчик входов в обработчик прерывания entry , и оператор проверки условия. Логика проста: вывод очередного знакоместа осуществляется лишь в том случае, если либо в соответствующем бите blink ноль, либо старший бит счетчика entry равен 1. Если, предположим, blink содержит все нули, то данное условие выполняется всегда - выводятся все знакоместа. Если же blink содержит 1 в одном из своих битов, то соответствующее знакоместо будет высвечиваться лишь в то время, когда старший бит счетчика равен 1. Так как счетчик увеличивается каждый раз при входе в обработчик прерываний, то соответствующее знакоместо будет мерцать с частотой в 128 раз меньшей, чем частота прерываний.

4.3 Регулировка яркости сегментов

О регулировке яркости я писал в отдельной статье, которая так и называлась .

4.4 Произвольное распределение выводов

Ранее говорилось, что счастье выделить порт МК целиком под индикацию, выпадает довольно редко. Но еще реже выпадает счастье получить удобную трассировку печатной платы, если использован один порт целиком под строки, а другой порт - под столбцы матрицы дисплея. Гораздо чаще оптимальная трассировка получается лишь в том случае, когда строки и столбцы перемешаны между двумя, а то и более портами микроконтроллера. Жертвовать красотой печатной платы не придется, если организовать программную перестановку битов при индикации.

Рассмотрим некий абстрактный пример. Пусть наилучшая трассировка обеспечивается при следующем распределении сигналов по линиям портов МК:

Как видите, линии матрицы перемешаны среди трех портов, причем все неиспользуемые линии этих портов не должны, естественно, менять своих уровней в процессе индикации.

Разработку функции динамической индикации для этого случая лучше всего начать с распределения сегментов по битам символа. Раньше мы считали, что в массиве SCR у нас хранятся битовые маски символов, т.е. единичками в байте обозначены светящиеся сегменты. О том, какой бит какому сегменту соответствует, мы не задумывались. Так вот, сейчас пора задуматься об этом.

Удобно разрисовать назначение линий портовв виде трех табличек:

Мы должны собрать все сегменты в один байт. Делать это придется операциями сдвига, поэтому следует постараться распределить их так, чтобы делать минимум сдвигов. Будем рассуждать.

Если биты сегментов FEGDC оставить в символе так, чтобы они попадали в PORTD без сдвигов, тогда сегмент H так же может остаться в 6-ом бите символа, и его тоже не придется сдвигать перед выводом PORTC , зато для сегментов А и В останутся биты 7 и 3, то есть скорее всего сегмент В придется сдвигать на 3 позиции перед выводом, а сегмент А - на 6. Я остановлюсь на этом варианте, а вы можете продолжить поиск минимума сдвигов (сдвиги на несколько позиций - не такая уж быстрая операция, поэтому желательно свести их число к минимуму).

Итак, в нашем случае получилось такое распределение битов по байту-символу:

Отметим маски битов для вывода в соответствующие порты:

При помощи этих масок операцией «побитовое И» мы выделим нужные биты для вывода в порт.

Объявим константы масок:

#define MASKD 0x37 #define MASKB 0x80 #define MASKC 0x48

Ранее мы выводили символ в единственный порт ROWS , теперь же эта процедура разделится на три части:

PORTD = (PORTD & ~MASKD) | (SCR & MASKD); PORTB = (PORTB & ~MASKB) | ((SCR & MASKB) >> 6); PORTC = (PORTC & ~MASKC) | ((SCR & _BV(6)) | (((SCR & _BV(3)) >> 3);

Обратите внимание, что для вывода в PORTC один бит надо выводить без сдвига, а второй - со сдвигом, поэтому вместо MASKC пришлось использовать отдельные макросы _BV() .

Теперь осталось решить, как гасить и зажигать соответствующие знакоместа. Объявим константы, соответствующие битам управления знакоместами:

#define COM0 _BV(0) #define COM1 _BV(3) #define COM2 _BV(4) #define COM3 _BV(5) #define COM4 _BV(7) #define COM5 _BV(3) #define COM_D (COM5) #define COM_C (COM2 | COM3 | COM4) #define COM_B (COM0 | COM1)

Для гашения всех знакомест надо вывести в порты соответствующие константы COM_x :

PORTD |= COM_D; PORTC |= COM_C; PORTB |= COM_B;

А вот для включения знакоместа придется мудрить (нет смысла осуществлять вывод во все три порта, ведь активным будет только один-единственный бит в определенном порту в зависимости от значения pos ), например, при помощи оператора switch :

Switch(pos){ case 0: PORTB &= ~COM0; break; case 1: PORTB &= ~COM1; break; case 2: PORTC &= ~COM2; break; case 3: PORTC &= ~COM3; break; case 4: PORTC &= ~COM4; break; case 5: PORTD &= ~COM5; break; }

Это не самый красивый способ, но он работает.

Таким образом, наш обработчик прерывания приобретает следующий вид:

ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; static unsigned char entry = 0; // гасим PORTD |= COM_D; PORTC |= COM_C; PORTB |= COM_B; // выводим PORTD = (PORTD & ~MASKD) | (SCR & MASKD); PORTB = (PORTB & ~MASKB) | ((SCR & MASKB) >> 6); PORTC = (PORTC & ~MASKC) | ((SCR & _BV(6)) | (((SCR & _BV(3)) >> 3); // мигаем if(!(blink & (1<< pos)) || (++entry & 0x80)) { switch(pos){ case 0: PORTB &= ~COM0; break; case 1: PORTB &= ~COM1; break; case 2: PORTC &= ~COM2; break; case 3: PORTC &= ~COM3; break; case 4: PORTC &= ~COM4; break; case 5: PORTD &= ~COM5; break; } } if(++pos == SCR_SZ) pos = 0; }

Теперь осталось разобраться, как же поудобнее описать символы для вывода... Я предлагаю поступить следующим образом: определить константы, соответствующие битам сегментов, а затем из этих констант «сконструировать» нужные символы:

// элементарные сегменты #define _A _BV(7) #define _B _BV(3) #define _C _BV(0) #define _D _BV(1) #define _E _BV(4) #define _F _BV(5) #define _G _BV(2) #define _H _BV(6) // символы цифр #define d_0 (_A | _B | _C | _D | _E | _F) #define d_1 (_B | _C) #define d_2 (_A | _B | _G | _D | _E) // и так далее

Таким образом, если вам понадобится вывести в крайнюю правую позицию дисплея нолик, вы всего-навсего должны написать в нужном месте:

SCR = d_0;

Если в другом проекте вам понадобится иначе распределить биты, вы поменяете только цифры в макросах _BV() для элементарных сегментов, и все символы «переделаются» автоматически. Для описанных в начале простейших случаев не придется больше ничего делать вообще, а для варианта с «перестановкой битов», придется, конечно повозиться.

4.5 Поддержка кнопок

При традиционном дефиците выводов МК, проблема большого количества кнопок, без которых редко какое устройство обходится, стоит весьма остро. В ход идут разные матричные включения и т.п. ухищрения, однако, немного усложнив функцию динамической индикации, легко получить в распоряжение столько кнопок, сколько знакомест в дисплее, при этом дополнительно потребуется задействовать только один порт микроконтроллера. Правда, на каждую кнопку еще придется ставить по диоду.

Схемотехнически это показано на рисунке.

А программно выглядит следующим образом:

#define keypin() (!(PIND & _BV(KEY))) ISR(TIMER0_OVF_vect){ static unsigned char pos = 0; static unsigned char entry = 0; static unsigned char tmp_key = 0; ROWS = 0; if(keypin()) tmp_key |= 1<< pos; COLS |= 0x3F; if(!(blink & (1<< pos)) || (++entry &0x80)){ ROWS = (ROWS & 0xF0) | (SCR & 0x0F); COLS &= ~(1 << pos); } if(++pos == SCR_SZ){ pos = 0; key = tmp_key; tmp_key = 0; } }

Здесь KEY - это макрос, задающий бит выбранного порта, на котором «соединяются» все кнопки, макрос keypin() возвращает логическое значение ИСТИНА, если на выбранном пине присутствует низкий логический уровень. В примере кнопки подключены к PORTD .

Каждый раз, когда возникает прерывание таймера, сначала гасятся все сегменты - это необходимо для того, чтобы ток через светодиоды не приводил к ошибочному не обнаружению нажатой кнопки. После этого происходит опрос кнопочного входа - если там низкий уровень, значит, нажата кнопка, подключенная к соответствующему pos катоду. В переменной tmp_key накапливаются состояния кнопок, которые переписываются в глобальную переменную key после завершения цикла индикации. Вам остается лишь время от времени анализировать значение key и обрабатывать обнаруженные нажатия:

Static unsigned char get_key(){ unsigned char tmp = 0; tmp = key; _delay_ms(10); if(key == tmp) return tmp; else return 0; }

Эта несложная функция гарантирует отсутствие дребезга кнопок, не смотря на то, что из-за «динамического» характера опроса кнопок вероятность дребезга и без того низкая.

5 Что еще?

Итак, вы освоили достаточно характерные приемы реализации динамической индикации. Думаю, этого хватит вам на первое время, а может, и вообще на всю оставшуюся жизнь. В конце концов, главное - это понимание приемов и алгоритмов, а тонкости и нюансы всегда можно прибавить самостоятельно. Но что же еще может ждать «вблизи» динамической индикации?

Как я уже говорил ранее, можно добавить , причем вплоть до независимого регулирования каждого сегмента.

Можно подумать над оптимальностью обработчика прерывания - в учебных целях я писал достаточно грубый код, например, всюду использовал SCR , хотя оптимальнее было бы один раз считать значение в локальную переменнную, а потом оперировать уже с ее значением. Хотя оптимизатор наверняка выручит и с моим подходом, в целях практики стоит попробовать и самостоятельно пооптимизировать, контролируя себя по размеру получающегося кода и/или быстродействию программы.

Можно помозговать над интересной идеей автоматического регулирования яркости дисплея в зависимости от уровня внешней освещенности. Как известно, светодиодные индикаторы тем хуже различимы, чем темнее вокруг - они просто расплываются. Поэтому в темное время суток разумно снижать яркость индикаторов, повышаяя ее в светолое время. Самое простое - использовать отдельный фоторезистор или светодиод в качестве датчика освещенности, но можно поступить и иначе: известно, что светодиод может работать и в качестве фотодиода, поэтому, если для индикации задействовать порт, соединеннный с входом АЦП , то при определенном желании можно измерить фото-эдс несветящегося сегмента индикатора, и использовать это значение для регулировки яркости...

Можно покумекать над использованием аппаратных средств последовательного вывода, о чем я уже намекал.

Интересный вариант полностью универсального подхода к динамической индикации, с которым так же рекомендую познакомиться, предложил MOLCHEC . Кратко суть: распределение сегментов по битам символа, назначение портов для управления индикатором и даже тип индикатора - короче говоря, все-все-все параметры, - задаются в виде таблицы конфигурации в EEPROM . Программно на основе этой таблицы организуется все: от инверсии в зависимости типа индикатора, до перестановки битов по разным портам. При этом исходный код программы динамической индикации остается неизменным всегда, а таблица конфигурации составляется конечным пользователем в зависимости от своих предпочтений. Метод действиетльно универсальный и гибкий, однако сопряжен с повышенным расходом памяти программ.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять коментарии.
Пожалуйста зарегистрируйтесь или войдите в ваш аккаунт.