Динамическая индикация. Подключение светодиодной матрицы к микроконтроллеру

Иногда требуется подключить к микроконтроллеру несколько семисегментных индикаторов или светодиодную матрицу, при этом для отображения информации используется динамическая индикация. Суть динамической индикации заключается в поочередном выводе информации на индикаторы. Ниже на схеме представлен пример соединения нескольких семисегментных индикаторов (для примера с общим катодом) для реализации динамической индикации, вообще с учетом точки получается 8 сегментов, но по старинке их называют именно так. Все выводы (аноды) одноименных сегментов соединяют вместе, итого 8 линий которые через резисторы подключают к микроконтроллеру. Общий катод каждого индикатора подключают к микроконтроллеру через транзистор.

Алгоритм индикации следующий: сначала устанавливаем на линиях требуемые логические уровни в зависимости от того какие сегменты надо включить на первом индикаторе (индикация слево направо), при этом высокий логический уровень для включения, низкий для выключения сегмента. Далее подаем высокий логический уровень на базу транзистора VT1, тем самым общий катод первого индикатора подключается к общему проводу, в этот момент загораются те сегменты, на анодах которых присутствует логическая единица. Через определенное время (пауза) индикатор отключаем, подав низкий логический уровень на базу транзистора, затем снова меняем логические уровни на линиях в соответствии с выводимой информацией, предназначенной для второго индикатора, и подаем сигнал включения на транзистор VT2. Таким образом, по порядку в круговом цикле коммутируем все индикаторы, вот и вся динамическая индикация.

Для получения цельного изображения без мерцаний, переключение необходимо выполнять с большой скоростью, для исключения мерцания светодиодов частоту обновления необходимо устанавливать от 70 Гц и более, я обычно устанавливаю 100 Гц. Для вышерассмотренной конструкции пауза рассчитывается следующим образом: для частоты в 100 Гц период равен 10 мс, всего 4 индикатора, соответственно время свечения каждого индикатора устанавливаем на уровне 10/4=2,5 мс. Существуют многоразрядные семисегментные индикаторы в одном корпусе, в которых одноименные сегменты соединены внутри самого корпуса, естественно для их использования необходимо применять динамическую индикацию.

Для реализации динамической индикации необходимо воспользоваться прерываниями по переполнению одного из таймеров. Ниже представлен код с использованием таймера TMR0:

В основной программе сначала настраиваем таймер с помощью регистра OPTION_REG, ранее я рассказывал про использование таймеров для временной задержки. Далее очищаем регистр shet, предназначенный для введения счета от 1 до 4, для каждого индикатора. Этот регистр инкрементируется в подпрограмме обработки прерываний и там же корректируется (он будет считать от 1 до 4), поэтому данная очистка выполняется однократно после включения питания. По этому регистру будем определять, какой индикатор включать и выдавать данные соответствующие ему. Следующим шагом будет очистка регистров хранения информации, четыре регистра dataind1,2,3,4 соответствующие четырем индикаторам. Очистка равнозначна выключению индикаторов, так как в подпрограмме обработки прерываний, содержимое этих регистров передается в регистр PORTB, к которому подключены аноды индикаторов. Это необходимо для того чтобы на индикаторах не высвечивался всякий мусор после разрешения прерываний, в принципе этого можно и не делать, если сразу записывать правильную информацию для вывода. Далее сбрасываем флаг прерывания по переполнению таймера, разрешаем прерывания по переполнению TMR0, и наконец, разрешаем глобальные прерывания.

В подпрограмме обработки прерываний, первым делом выключаем все индикаторы (подав низкие логические уровни на базы транзисторов), потому что неизвестно какой из них включен. Производим инкремент регистра shet, с проверкой на равенство числу 5, при наличии такого совпадения записываем в регистр число 1, так как необходимо вести счет от 1 до 4. Далее проверяем, какое именно число лежит в регистре shet, по которому загружаем в PORTB данные из регистров хранения информации (dataind) для соответствующего индикатора и включаем его. После чего сбрасываем флаг прерывания по переполнению TMR0, записываем число 100 в таймер (ниже приведен расчет этого значения), для временной задержки и выходим из обработчика прерываний. При первом прерывании включается первый индикатор, во втором прерывании второй и так по круговому циклу. В основной программе остается только загружать данные в регистры хранения информации для каждого индикатора. В подпрограмме прерываний не забываем сохранять и восстанавливать значения ключевых регистров, об этом я писал в статье про прерывания.

Для вывода чисел лучше использовать знакогенератор в виде таблицы данных. Например, чтобы вывести число 3456 на индикаторы, его необходимо разбить на разряды, при этом лучше использовать отдельные регистры для хранения чисел разрядов (от 0 до 9), далее прогнать эти регистры через знакогенератор, получив тем самым правильные байты (загружаемые в регистры dataind) для зажигания соответствующих сегментов.

Частоту тактового генератора примем за 4 МГц, машинный цикл 1 мкс. Частота обновления каждого индикатора пускай составит 100 Гц (период T=10 мс), соответственно необходимая временная задержка равна 10/4 = 2,5 мс. Коэффициент предделителя для TMR0 устанавливаем равным 1:16, при этом максимально возможная задержка равна 256х16 = 4096 мкс, а нам требуется пауза в 2,5 мс. Рассчитаем число для записи в TMR0: 256-((256х2,5)/4,096) = 256-156,25 = 99,75. После округления получим число 100.

Ниже можно скачать модель для программы Proteus, прошивку и исходник с реализацией динамической индикации на 4-х разрядный индикатор с общим катодом с применением микроконтроллера PIC16F628A. Для примера на индикатор выводятся числа 0000; 0001; 0002; 13,52; 9764.
Прошивка МК и исходник + файл проекта Proteus_7.7

Теперь рассмотрим подключение матрицы с разрешением 8х8 точек (светодиодов). Структуру матрицы обычно рассматривают в виде строк и столбцов. На картинке ниже в каждом столбце соединены катоды всех светодиодов, а в каждой строке аноды. Строки (8 линий, аноды светодиодов) через резисторы подключают к микроконтроллеру. Каждый столбец (катоды светодиодов) подключают к микроконтроллеру через 8 транзисторов. Алгоритм индикации такой же, сначала устанавливаем необходимые логические уровни на строках, в соответствии с тем, какие светодиоды должны гореть в столбце, далее подключаем первый столбец (индикация слева направо). Через определенную паузу выключаем столбец, и изменяем логические уровни на строках для отображения второго столбца, далее подключаем второй столбец. И так поочередно коммутируем все столбцы. Ниже представлена схема подключения матрицы к микроконтроллеру.

Всего для подключения такой матрицы потребуется 16 выводов микроконтроллера, что весьма немало, поэтому для сокращения управляющих линий лучше использовать последовательные сдвиговые регистры.

Самым распространенным последовательным регистром является микросхема 74НС595, которая содержит в себе сдвиговый регистр для загрузки данных, и регистр хранения через который данные передаются на выходные линии. Загружать данные в него просто, устанавливаем логический 0 на входе тактирования SH_CP, далее устанавливаем требуемый логический уровень на входе данных DS, после чего переключаем вход тактирования в 1, при этом происходит сохранение значения уровня (на входе DS) внутри сдвигового регистра. Одновременно с этим происходит сдвиг данных на один разряд. Снова сбрасываем вывод SH_CP в 0, устанавливаем требуемый уровень на входе DS и поднимаем SH_CP в 1. После полной загрузки сдвигового регистра (8 бит), устанавливаем в 1 вывод ST_CP, в этот момент данные передаются в регистр хранения и поступают на выходные линии Q0…Q7, после чего сбрасываем вывод ST_CP. Во время последовательной загрузки, данные сдвигаются от Q0 до Q7. Вывод Q7’ подключен к последнему разряду сдвигового регистра, этот вывод можно подключить на вход второй микросхемы, таким образом можно загружать данные сразу в две и более микросхемы. Вывод OE переключает выходные линии в третье (высокоомное) состояние, при подаче на него логической 1. Вывод MR предназначен для сброса сдвигового регистра, то есть установка низких логических уровней на выходах триггеров регистра, что эквивалентно загрузке восьми нулей. Ниже представлена диаграмма загрузки данных в микросхему 74НС595, установка значения 11010001 на выходных линиях Q0…Q7, при условии, что изначально там были нули:

Рассмотрим подключение матрицы 8×8 к микроконтроллеру PIC16F628A с помощью двух сдвиговых регистров 74HC595, схема представлена ниже:

Данные загружаются в микросхему DD2 (управление логическими уровнями на строках, аноды светодиодов) затем через вывод Q7’ передаются в DD3 (управление столбцами), соответственно сначала загружаем байт для включения столбца, затем байт с логическими уровнями на строках. К выходным линиям DD3 подключены транзисторы коммутирующие столбцы матрицы (катоды светодиодов). Ниже приведен код программы для вывода изображения на матрицу:

В основной программе настраиваем таймер, записываем число 8 в регистр shet. Этот регистр используется в качестве счетчика при выводе информации на столбцы, регистр декрементируется от 8 до 0 в подпрограмме обработки прерываний, и там же корректируется, поэтому первоначальная запись выполняется однократно, после подачи питания, перед разрешением прерываний. Далее записываем двоичное число 10000000 в регистр stolb, в подпрограмме обработки прерываний содержимое этого регистра передается в микросхему DD3 для коммутации соответствующего столбца. В данном случае двоичное число 10000000 включает первый столбец, для включения остальных столбцов, содержимое регистра сдвигается на один бит. Запись в регистр stolb также выполняется однократно, корректировка производится в обработчике прерываний.

Информация с логическими уровнями для строк каждого столбца, хранится в 8-ми регистрах хранения информации, обращение к которым выполняется через косвенную адресацию. Адресу первого регистра присвоено название data1. Кроме первоначальной записи регистров shet и stolb, необходимо записать в регистр FSR_prer адрес первого регистра хранения информации (регистр – data1, запись в FSR_prer выполняется однократно, далее корректируется в обработчике), только после этого разрешать прерывания по переполнению TMR0.

Перед разрешением прерываний, желательно очистить регистры хранения информации, данная операция производится с помощью дополнительного регистра tmp (в качестве счетчика) и косвенной адресации, очистка равнозначна выключению матрицы.

В подпрограмме обработки прерываний загружаем в микросхему DD2 содержимое регистра stolb (при первом входе в обработчик после разрешения прерываний, в регистре лежит число 10000000, как было сказано выше). Загрузка начинается с младшего бита регистра stolb, который сдвигается в направлении от Q0 к Q7 (внутри микросхемы DD2) по мере загрузки, алгоритм загрузки был рассмотрен выше, так что думаю, разобраться в коде не составит труда. Далее загружаем в DD2 содержимое регистра INDF, это один из регистров хранения информации, адрес которого находится в FSR (при первом входе в обработчик после разрешения прерываний в FSR лежит адрес первого регистра хранения информации с названием data1). Загрузка начинается со старшего бита регистра INDF. После загрузки рассмотренных 2-х байтов, тактируем вывод st_cp, тем самым загруженные данные передаются на выходные линии микросхем DD2, DD3. Таким образом, при первом входе в обработчик коммутируется первый столбец матрицы, в котором загораются светодиоды, на анодах которых присутствует высокий логический уровень, в соответствии с содержимым регистра data1 (первый регистр хранения информации).

Далее сдвигаем регистр stolb вправо на один бит, для того чтобы подготовить к коммутации второй столбец матрицы при следующем входе в обработчик прерываний. Перед сдвигом необходимо очистить флаг C регистра STATUS, так как сдвиг происходит через этот флаг, и его состояние не известно на момент сдвига. После сдвига, инкрементируем регистр FSR, подготавливая следующий регистр хранения информации (после регистра data1) с логическими уровнями строк для второго столбца. Далее декрементируем с условием регистр shet, и если он не равен нулю, сбрасываем флаг прерывания по переполнению TMR0, производим запись числа в таймер, и выходим из обработчика прерываний.

При следующем входе в обработчик включится второй столбец матрицы и так далее. При обнулении регистра shet (после коммутации 8-го столбца), в него записывается число 8 для очередного цикла коммутации столбов, кроме этого корректируется значение регистра stolb, в регистр FSR записывается адрес первого регистра хранения информации (data1).

Выполним расчет временной задержки для таймера TMR0, частота тактового генератора 4 МГц, машинный цикл 1 мкс. Чтобы избежать мерцания светодиодов, примем частоту обновления каждого столбца в 100Гц (период T=10 мс), временная задержка равна 10/8 = 1,25 мс. Коэффициент предделителя TMR0 установим равным 1:8, при этом максимально возможная задержка равна 256х8 = 2048 мкс. Для паузы в 1,25 мс таймер должен отсчитать (256х1,25)/2,048 = 156,25 раз, округляя получим 156 отсчетов. Соответственно в таймер необходимо записать число 256-156 = 100. Но это не совсем правильное значение, так как на выполнение подпрограммы обработки прерываний затрачивается некоторое время, в данном случае на это уходит около 190 мкс, в перерасчете с учетом коэффициента предделителя получаем 190/8 = 23,75 или 24 отсчета. Правильное значение для записи в TMR0 равно: 100+24=124.

В основной программе записываем 8 регистров хранения информации, в соответствии с тем, что хотим вывести на матрицу. Ниже представлена схема поясняющая вывод информации на матрицу для вышерассмотренного кода.

Кроме сдвиговых регистров существуют специализированные драйвера для вывода информации на семисегментные индикаторы и светодиодные матрицы, в этом случае динамическую индикацию реализует сам драйвер, остается только отправлять на него данные для отображения. Один из таких популярных драйверов я рассмотрел в статье про подключение MAX7219.

Ниже по ссылке можно скачать прошивку и исходник для микроконтроллера PIC16F628A, с реализацией динамической индикации на матрице 8х8 с применением двух сдвиговых регистров 74HC595, схема подключения была рассмотрена выше. На матрицу поочередно выводятся буквы R, L, цифра 46, смайлик, и просто узор в виде креста, эта анимация продемонстрирована в видеоролике ниже.
Прошивка МК и исходник
Даташит на светодиодную матрицу FYM-23881