【微蓝课堂】机器人编程|树莓派系列|13-从零开始编写TM1637驱动程序

一、课堂目标

了解数码管的显示原理
掌握tm1637的数据显示

二、原理分析

2.1 TM1637模块介绍

TM1637四位数码管模块是一种用于数字显示的模块。它可以通过接口与微控制器进行通信，并将数字信息显示在四个8段数码管上。该模块具有以下功能：

显示数字0-9：模块能够将微控制器发送的数字信息显示在数码管上，可以显示0-9的任何数字。
显示符号：模块支持显示符号，如负号、小数点等。
亮度调整：可以通过接口控制模块的亮度，调整数码管的显示亮度。
多位数显示：模块支持同时显示多位数，最多可以同时显示四位数。
节约IO资源：使用TM1637芯片，模块只需要两个IO口即可完成与微控制器的通信，相比其他数码管模块节省了IO资源。

低功耗 ：模块具有低功耗特性，可以有效节省电力。通过对TM1637四位数码管模块的使用，可以方便地实现数字显示功能，适用于各种需要数字显示的应用场景，如计数器、计时器、电子钟等

2.2 7段/8段数码管

我们先来了解什么是7段数码管？上面图片看到正面是4个'8'，它是利用发光二极管的原理，组成一个'8'的形状，这个'8'正好是七段组成，所以一般称为七段数码管。

而市面上有数字后面带有小数点的，称为8段数码管，由8个发光二极管组成。还有其他特殊的数码管，原理都相同。

这7段数码管分别命令为：A、B、C、D、E、F、G。如果显示数字0，那么亮起A、B、C、D、E、F这6段；如果显示数字1，那么亮起B、C这两段。

数字对应的段数据

0 -> 1111110

1 -> 0110000

2 -> 1101101

3 -> 1111001

2.3 引脚说明

TM1637焊接了4个引脚：

GND：接地引脚
VCC：电源引脚，3.3V和5V都可以
DIO：数据输入输出引脚
CLK：时钟信号引脚

仔细看背面的电路线，发现内部有12个针脚！

前面我们已经知道：一个LED灯有两个引脚，正极针脚和负极针脚，一个7段数码管就需要14个针脚，那TM1637模块有4个7段的数码管，为什么只有12个针脚了？

这里我们用到两种技术：共阳/共阴 、动态扫描显示。

2.4 共阳/共阴

LED灯只要有电压差就会被点亮，我们可以把所有LED灯的正极都联通在一起，只控制各段发光二极管的负极通电即可，这种叫做共阳。反之亦然，叫做共阴。这样一个7段的数码管就只需要引出8个引脚就行了，1个阳(阴)级接到树莓派vcc(gnd)上，另外7个分别连到gpio口上，通过控制io口高低电平即可显示所需数字。比如说数字1，我们只需要点亮B段和C段就行了，其他全灭。那么连到共阳端引脚的io口输出高电平，连到引脚b、c的io口输出低电平，连到引脚a、d、e、f、g、dp的io口均输出高电平即可。

照上面的算法，我们需要一个共阳引脚，7个控制引脚，至少需要7*4+1=29个，数量还是对不上！再看下面的"动态扫描显示"技术。

2.5 动态扫描显示

先看看什么叫做静态显示？

静态显示，就是前面说的每一个数字需要占用8个io口，每多一个数字就需要额外的8个io口，如果数字位数不多，io口够用的话，这样做完全没问题。实际应用中往往需要显示多个数字，io口基本上是不够用的。这就需要动态扫描显示了。

再了解什么叫做动态显示？

动态驱动是将所有数码管的7个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g"的同名端连在一起引出7个引脚，每个数字再单独引出共阳(阴)端，这样总引脚数就只要7 + 数字个数即可。当树莓派输出7个段信号时，所有数码管都会接收到相同的信号，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于这个数码管对应的共阳(阴)极(后统称位选端)有无导通。所以我们只要将需要显示的数码管的位选端选通，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的位选端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

所以接线图就是下面这个样子：

DIG1~DIG4：代表4个数码管
一共有12个针脚。每个数码管由7段组成，每一段都是一个发光二极管。
A-G 这7个针脚对应了数码管的7段。
DP针脚对应的是中间的冒号。

A、B、C、D、E、F、G、DP就是8个针脚，再加上4个数字单独的针脚，就是12个了。

三、官方文档

微处理器怎么用两个管脚和12个针脚通信的？参考官方提供的文档

硬件接线图

显示寄存器

接口说明

微处理器的数据通过两线总线接口和 TM1637 通信，在输入数据时当 CLK 是高电平时，DIO 上的信号必须保持不变；只有 CLK 上的时钟信号为低电平时，DIO 上的信号才能改变。数据输入的开始条件是 CLK 为高电平时，DIO 由高变低；结束条件是 CLK 为高时，DIO 由低电平变为高电平。

TM1637 的数据传输带有应答信号 ACK，当传输数据正确时，会在第八个时钟的下降沿，芯片内部会产生一个应答信号 ACK 将 DIO 管脚拉低，在第九个时钟结束之后释放 DIO 口线。

数据指令

指令用来设置显示模式和LED 驱动器的状态。

在CLK下降沿后由DIO输入的第一个字节作为一条指令。经过译码，取最高B7、B6两位比特位以区别不同的指令。

流程图

总结

上面有点复杂，下面是提炼的信息：

通信是8位二进制数据
显示协议为：1.发送写显存数据命令 --> 2.发送设置地址命令 --> 3.传输段数据 --> 4.控制显示命令
传输的开始和结束标记

- start ：CLK 为1， DIO从1变为0
- stop ：CLK为1， DIO从0变为1

CLK作为时钟总线，通过高低电平控制时钟频率
传输数据时，DIO数据在CLK高电平变化，CLK低电平时被传输
DIO上传输数据正常的话，第8个时钟下降沿会收到ACK， DIO会被拉为低电平

四、驱动程序

根据上面的技术文档，具体的驱动脚本如下，80行的代码，也没那么难：

复制代码

from RPi import GPIO
from time import time, sleep

class TM1637(object):
    I2C_COMM1 = 0x40  # 写显存数据命令: 0b01000000
    I2C_COMM2 = 0xC0  # 设置地址命令：0b11000000
    I2C_COMM3 = 0x88  # 控制显示命令：0b10001000

    def __init__(self, clk, dio, brightness=1.0):
        self.clk_pin = clk  # 时钟信号引脚
        self.dio_pin = dio  # 数据输入输出引脚
        self.brightness = brightness  # 明亮度
        # 引脚初始化
        GPIO.setup(self.clk_pin, GPIO.OUT)
        GPIO.setup(self.dio_pin, GPIO.OUT)

    def set_segments(self, segments, pos=0):
        self.start()
        self.write_byte(self.I2C_COMM1)  # 写入命令1：写显存数据
        self.br()
        self.write_byte(self.I2C_COMM2 | pos)  # 写入命令2：设置地址
        for seg in segments:
            self.write_byte(seg)
        self.br()
        self.write_byte(self.I2C_COMM3 + int(self.brightness))  # 写入命令3：显示控制，明暗度
        self.stop()

    def start(self):
        """ 开始条件：待确认 """
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.LOW)

    def stop(self):
        """ 结束条件：clk为高电位，dio由低电位变为高电位 """
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.HIGH)

    def br(self):
        """ 多条命令封装实现换行效果 """
        self.stop()
        self.start()

    def write_byte(self, b):
        # 写入二进制数据：8个bit
        for i in range(8):
            GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.LOW)
            if b & 0x01:
                GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.HIGH)
            else:
                GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.LOW)
            b = b >> 1
            GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.HIGH)

        # wait for ACK
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.LOW)
        GPIO.output(self.dio_pin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(self.clk_pin, GPIO.HIGH)
        GPIO.setup(self.dio_pin, GPIO.IN)
        GPIO.setup(self.dio_pin, GPIO.OUT)

    def show(self, colon=False):
        segments = [63,63,63,63]
        if colon:
            point_data = 0x80
        else:
            point_data = 0x00
        results = []
        for segment in segments:
            if segment == 0x7F:
                results.append(0)
            else:
                results.append(segment + point_data)
        self.set_segments(results)

完整功能参见github源码

https://github.com/tim2anna/micro-blue/blob/master/micro_blue/gpiozero_lib/tm1637.py