数码管LED显示屏矩阵驱动技术详解

1. 矩阵驱动原理

矩阵驱动是LED显示屏常用的一种高效驱动方式，利用COM（Common，公共端）和SEG（Segment，段选）线的交叉点控制单个LED的亮灭。相比直接驱动，矩阵驱动可以显著减少所需I/O引脚数量。

基本原理

**直接驱动**：每个LED需要一个独立的I/O引脚
**矩阵驱动**：N×M矩阵只需N+M个I/O引脚

例如，驱动16个LED：

直接驱动：需要16个I/O引脚
4×4矩阵驱动：只需8个I/O引脚(4个COM + 4个SEG)

2. COM-SEG引脚对应关系

标准7段数码管引脚定义

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    a
   ---
f |   | b
  | g |
   ---
e |   | c
  |   |
   ---
    d    • dp

每个段与数据位的对应关系：

bit0 → a段
bit1 → b段
bit2 → c段
bit3 → d段
bit4 → e段
bit5 → f段
bit6 → g段
bit7 → dp段(小数点)

硬件连接方式

在4位数码管(常见配置)中：

COM线连接到每个数码管的公共端(可能是共阳或共阴)
SEG线并联连接到所有数码管的对应段

COM0 → 数码管1公共端
COM1 → 数码管2公共端
COM2 → 数码管3公共端
COM3 → 数码管4公共端

SEG0 → 所有数码管的a段
SEG1 → 所有数码管的b段
...
SEG7 → 所有数码管的dp段

3. 扫描刷新机制

矩阵驱动采用时分复用技术，通过快速扫描实现视觉上的"同时显示"：

激活COM0，设置SEG0-7的状态，点亮数码管1
关闭COM0，激活COM1，设置SEG0-7的状态，点亮数码管2
依此类推，循环重复

刷新过程人眼不可察觉，通常刷新频率需>60Hz。

4. 代码实现示例

初始化设置

cpp 复制代码

void User_LED_Init()
{
    LED_InitStruct.Instance = LED_LCD;
    LED_InitStruct.Init.COMdriveLock = LED_LCD_COMNOLOCK; //COM口大电流不开启
    LED_InitStruct.Init.SegIOSel = 0x00ff; //LED segl口选择
    LED_InitStruct.Init.ComIOSel = 0x0f;   //COMl口选择(使用COM0-COM3四个口)
    LED_InitStruct.Init.ScanWidth = 0x05;  //LED周期配置
    LED_InitStruct.Init.DutySel = LED_DUTYSEL_4_8; //占空比设置为4/8

    HAL_LED_Init(&LED_InitStruct);
    HAL_LED_StartScan(&LED_InitStruct); //启动LED循环扫描模式
}

段码定义

cpp 复制代码

// 定义0-9数字对应的段码
uint32_t Led_arr_num[10] = {
    0x3F, // 0: 0011 1111 - 点亮a,b,c,d,e,f
    0x06, // 1: 0000 0110 - 点亮b,c
    0x5B, // 2: 0101 1011 - 点亮a,b,d,e,g
    0x4F, // 3: 0100 1111 - 点亮a,b,c,d,g
    0x66, // 4: 0110 0110 - 点亮b,c,f,g
    0x6D, // 5: 0110 1101 - 点亮a,c,d,f,g
    0x7D, // 6: 0111 1101 - 点亮a,c,d,e,f,g
    0x07, // 7: 0000 0111 - 点亮a,b,c
    0x7F, // 8: 0111 1111 - 点亮a,b,c,d,e,f,g
    0x6F  // 9: 0110 1111 - 点亮a,b,c,d,f,g
};

数据更新

cpp 复制代码

// 所有数码管显示相同数字
void display_same_number(uint8_t number) {
    if(number > 9) return; // 验证输入
    
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_0, Led_arr_num[number]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_1, Led_arr_num[number]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_2, Led_arr_num[number]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_3, Led_arr_num[number]);
}

// 显示4位数字(范围0-9999)
void display_number(uint16_t number) {
    uint8_t digit1 = number % 10;
    uint8_t digit2 = (number / 10) % 10;
    uint8_t digit3 = (number / 100) % 10;
    uint8_t digit4 = (number / 1000) % 10;
    
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_0, Led_arr_num[digit1]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_1, Led_arr_num[digit2]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_2, Led_arr_num[digit3]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_3, Led_arr_num[digit4]);
}

// 显示带小数点的数字
void display_with_decimal(uint16_t number, uint8_t decimal_pos) {
    uint8_t digit1 = number % 10;
    uint8_t digit2 = (number / 10) % 10;
    uint8_t digit3 = (number / 100) % 10;
    uint8_t digit4 = (number / 1000) % 10;
    
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_0, Led_arr_num[digit1]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_1, Led_arr_num[digit2]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_2, Led_arr_num[digit3]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_3, Led_arr_num[digit4]);
    
    // 在指定位置添加小数点(0为最右侧数码管)
    if(decimal_pos < 4) {
        uint32_t current_value = 0;
        switch(decimal_pos) {
            case 0: 
                current_value = HAL_LED_Read_Data(LED_LCD_COM_0);
                HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_0, current_value | 0x80);
                break;
            case 1: 
                current_value = HAL_LED_Read_Data(LED_LCD_COM_1);
                HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_1, current_value | 0x80);
                break;
            case 2: 
                current_value = HAL_LED_Read_Data(LED_LCD_COM_2);
                HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_2, current_value | 0x80);
                break;
            case 3: 
                current_value = HAL_LED_Read_Data(LED_LCD_COM_3);
                HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_3, current_value | 0x80);
                break;
        }
    }
}

5. 扫描频率与占空比

关键参数说明：

**扫描宽度(ScanWidth)**：

决定COM口扫描时间：period = (scan_width+1) × 16us
示例：扫描宽度5对应96us的COM周期

**占空比(DutySel)**：

定义COM口导通时间占周期的比例
常见配置：4/8(50%)占空比

这两个参数影响显示的亮度和功耗。

6. 应用实例：时钟显示

cpp 复制代码

void display_clock(uint8_t hours, uint8_t minutes) {
    uint8_t hour_tens = hours / 10;
    uint8_t hour_units = hours % 10;
    uint8_t min_tens = minutes / 10;
    uint8_t min_units = minutes % 10;
    
    // 显示时间格式: HH:MM (小数点作为冒号)
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_0, Led_arr_num[min_units]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_1, Led_arr_num[min_tens]);
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_2, Led_arr_num[hour_units] | 0x80); // 添加小数点作为冒号
    HAL_LED_ARR_Data(LED_LCD_COM_3, Led_arr_num[hour_tens]);
}

7. 矩阵驱动优缺点

优点

显著减少I/O引脚需求
降低功耗
简化PCB设计

缺点

需要软件不断刷新
同一时刻只有一位数码管点亮
亮度受刷新频率和占空比影响

8. 结论

矩阵驱动技术是数码管和LED显示应用中的基础技术，通过时分复用实现多位数显示，平衡了硬件复杂度和显示效果。掌握COM-SEG对应关系和扫描机制，可以轻松实现各种数字、字符甚至自定义图形的显示。