|
|
楼主 |
发表于 2010-4-21 08:29:20
|
显示全部楼层
“从单片机初学者迈向单片机工程师”之LED主题讨论周
第五章--多任务环境下的数码管编程设计
[post]数码管在实际应用中非常广泛，尤其是在某些对成本有限制的场合。编写一个好用的LED程序并不是那么的简单。曾经有人这样说过，如果用数码管和按键，做一个简易的可以调整的时钟出来，那么你的单片机就算入门了60%了。此话我深信不疑。我遇到过很多单片机的爱好者，他们问我说单片机我已经掌握了，该如何进一步的学习下去呢？我并不急于回答他们的问题，而是问他们：会编写数码管的驱动程序了吧？“嗯”。会编写按键程序了吧？“嗯”。好，我给你出一个小题目，你做一下。用按键和数码管以及单片机定时器实现一个简易的可以调整的时钟，要求如下：
8位数码管显示，显示格式如下
时-分-秒
XX-XX-XX
要求：系统有四个按键，功能分别是 调整，加，减，确定。在按下调整键时候，显示时的两位数码管以1 Hz 频率闪烁。如果再次按下调整键，则分开始闪烁，时恢复正常显示，依次循环，直到按下确定键，恢复正常的显示。在数码管闪烁的时候，按下加或者减键可以调整相应的显示内容。按键支持短按，和长按，即短按时，修改的内容每次增加一或者减小一，长按时候以一定速率连续增加或者减少。
结果很多人，很多爱好者一下子都理不清楚思路。其实问题的根源在于没有以工程化的角度去思考程序的编写。很多人在学习数码管编程的时候，都是照着书上或者网上的例子来进行试验。殊不知，这些例子代码仅仅只是具有一个演示性的作用，拿到实际中是很难用的。举一个简单的例子。
下面这段程序是在网上随便搜索到的：
while(1)
{
for(num=0;num<9;num++)
{
P0=table[num];
P2=code[num] ;
delayms(2) ;
}
}
看出什么问题来了没有，如果没有看出来请仔细想一下，如果还没有想出来，请回过头去，认真再看一遍“学会释放CPU”这一章的内容。这个程序作为演示程序是没有什么问题的，但是实际应用的时候，数码管显示的内容经常变化，而且还有很多其它任务需要执行，因此这样的程序在实际中是根本就无法用的，更何况，它这里也调用了delayms(2)这个函数来延时2 ms这更是令我们深恶痛绝
本章的内容正是探讨如何解决多任务环境下(不带OS)的数码管程序设计的编写问题。理解了其中的思想，无论要求我们显示的形式怎么变化(如数码管闪烁，移位等),我们都可以很方便的解决问题。
数码管的显示分为动态显示和静态显示两种。静态显示是每一位数码管都用一片独立的驱动芯片进行驱动。比较常见的有74LS164，74HC595等。利用这类芯片的好处就是可以级联，留给单片机的接口只需要时钟线，数据线，因此比较节省I/O口。如下图所示：
利用74LS164级联驱动8个单独的数码管
静态显示的优点是程序编写简单。但是由于涉及到的驱动芯片数量比较多，同时考虑到PCB的布线等等因素，在低成本要求的开发环境下，单纯的静态驱动并不合适。这个时候就可以考虑到动态驱动了。
动态驱动的图如下所示(以EE21开发板为例)
由上图可以看出。8个数码管的段码由一个单独的74HC573驱动。同时每一个数码管的公共端连接在另外一个74HC573的输出上。当送出第一位数码管的段码内容时候，同时选通第一位数码管的位选，此时，第一位数码管就显示出相应的内容了。一段时间之后，送出第二位数码管段码的内容，选通第二位数码管的位选，这时显示的内容就变成第二位数码管的内容了……依次循环下去，就可以看到了所有数码管同时显示了。事实上，任意时刻，只有一位数码管是被点亮的。由于人眼的视觉暂留效应以及数码管的余辉效应，当数码管扫描的频率非常快的时候，人眼已经无法分辨出数码管的变化了，看起来就是同时点亮的。我们假设数码管的扫描频率为50 Hz, 则完成一轮扫描的时间就是1 / 50 = 20 ms 。我们的系统共有8位数码管，则每一位数码管在一轮扫描周期中点亮的时间为20 / 8 = 2.5 ms 。
动态扫描对时间要求有一点点严格，否则，就会有明显的闪烁。
假设我们程序 中所有任务如下：
while(1)
{
LedDisplay() ; //数码管动态扫描
ADProcess() ; //AD采集处理
TimerProcess() ; //时间相关处理
DataProcess() ; //数据处理
}
LedDisplay() 这个任务的执行时间，如同我们刚才计算的那样，50 Hz频率扫描，则该函数执行的时间为20 ms 。 假设ADProcess()这个任务执行的的时间为2 ms ，TimerProcess()这个函数执行的时间为 1 ms ，DataProcess() 这个函数执行的时间为10 ms 。 那么整个主函数执行一遍的总时间为 20 + 2 + 1 + 10 = 33 ms 。即LedDisplay() 这个函数的扫描频率已经不为50 Hz 了，而是 1 / 33 = 30.3 Hz 。这个频率数码管已经可以感觉到闪烁了，因此不符合我们的要求。为什么会出现这种情况呢？ 我们刚才计算的50 Hz 是系统只有LedDisplay()这一个任务的时候得出来的结果。当系统添加了其它任务后，当然系统循环执行一次的总时间就增加了。如何解决这种现象了，还是离不开我们第二章所讲的那个思想。
系统产生一个2.5 ms 的时标消息。LedDisplay() , 每次接收到这个消息的时候, 扫描一位数码管。这样8个时标消息过后，所有的数码管就都被扫描一遍了。可能有朋友会有这样的疑问：ADProcess() 以及 DataProcess() 等函数执行的时间还是需要十几ms 啊，在这十几ms 的时间里，已经产生好几个2.5 ms的时标消息了，这样岂不是漏掉了扫描，显示起来还是会闪烁。能够想到这一点，很不错，这也就是为什么我们要学会释放CPU的原因。对于ADProcess()，TimerProcess()，DataProcess()，等任务我们依旧要采取此方法对CPU进行释放，使其执行的时间尽可能短暂，关于如何做到这一点，在以后的讲解如何设计多任务程序设计的时候会讲解到。
下面我们基于此思路开始编写具体的程序。
首先编写Timer.c文件。该文件中主要为系统提供时间相关的服务。必要的头文件包含。
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
为了方便计算，我们取数码管扫描一位的时间为2 ms。设置定时器0为2 ms中断一次。
同时声明一个位变量，作为2 ms时标消息的标志
bit g_bSystemTime2Ms = 0 ; // 2msLED动态扫描时标消息
初始化定时器0
void Timer0Init(void)
{
TMOD &= 0xf0 ;
TMOD |= 0x01 ; //定时器0工作方式1
TH0 = 0xf8 ; //定时器初始值
TL0 = 0xcc ;
TR0 = 1 ;
ET0 = 1 ;
}
在定时器0中断处理程序中，设置时标消息。
void Time0Isr(void) interrupt 1
{
TH0 = 0xf8 ; //定时器重新赋初值
TL0 = 0xcc ;
g_bSystemTime2Ms = 1 ; //2MS时标标志位置位
}
然后我们开始编写数码管的动态扫描函数。
新建一个C源文件，并包含相应的头文件。
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Timer.h"
先开辟一个数码管显示的缓冲区。动态扫描函数负责从这个缓冲区中取出数据，并扫描显示。而其它函数则可以修改该缓冲区，从而改变显示的内容。
uint8 g_u8LedDisplayBuffer[8] = {0} ; //显示缓冲区
然后定义共阳数码管的段码表以及相应的硬件端口连接。
code uint8 g_u8LedDisplayCode[]=
{
0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
0xbf, //'-'号代码
} ;
sbit io_led_seg_cs = P1^4 ;
sbit io_led_bit_cs = P1^5 ;
#define LED_PORT P0
再分别编写送数码管段码函数，以及位选通函数。
static void SendLedSegData(uint8 dat)
{
LED_PORT = dat ;
io_led_seg_cs = 1 ; //开段码锁存,送段码数据
io_led_seg_cs = 0 ;
}
static void SendLedBitData(uint8 dat)
{
uint8 temp ;
temp = (0x01 << dat ) ; //根据要选通的位计算出位码
LED_PORT = temp ;
io_led_bit_cs = 1 ; //开位码锁存,送位码数据
io_led_bit_cs = 0 ;
}
下面的核心就是如何编写动态扫描函数了。
如下所示：
void LedDisplay(uint8 * pBuffer)
{
static uint8 s_LedDisPos = 0 ;
if(g_bSystemTime2Ms)
{
g_bSystemTime2Ms = 0 ;
SendLedBitData(8) ; //消隐，只需要设置位选不为0~7即可
if(pBuffer[s_LedDisPos] == '-') //显示'-'号
{
SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[16]) ;
}
else
{
SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]) ;
}
SendLedBitData(s_LedDisPos);
if(++s_LedDisPos > 7)
{
s_LedDisPos = 0 ;
}
}
}
函数内部定义一个静态的变量s_LedDisPos，用来表示扫描数码管的位置。每当我们执行该函数一次的时候，s_LedDisPos的值会自加1，表示下次扫描下一个数码管。然后判断g_bSystemTime2Ms时标消息是否到了。如果到了，就开始执行相关扫描，否则就直接跳出函数。SendLedBitData(8) ;的作用是消隐。因为我们的系统的段选和位选是共用P0口的。在送段码之前，必须先关掉位选，否则，因为上次位选是选通的，在送段码的时候会造成相应数码管的点亮，尽管这个时间很短暂。但是因为我们的数码管是不断扫描的，所以看起来还是会有些微微亮。为了消除这种影响，就有必要再送段码数据之前关掉位选。
if(pBuffer[s_LedDisPos] == '-') //显示'-'号这行语句是为了显示’-’符号特意加上去的，大家可以看到在定义数码管的段码表的时候，我多加了一个字节的代码0xbf：
code uint8 g_u8LedDisplayCode[]=
{
0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
0xbf, //'-'号代码
} ;
通过SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]) ;送出相应的段码数据后，然后通过SendLedBitData(s_LedDisPos);打开相应的位选。这样对应的数码管就被点亮了。
if(++s_LedDisPos > 7)
{
s_LedDisPos = 0 ;
}
然后s_LedDisPos自加1，以便下次执行本函数时，扫描下一个数码管。因为我们的系统共有8个数码管，所以当s_LedDisPos > 7后，要对其进行清0 。否则，没有任何一个数码管被选中。这也是为什么我们可以用
SendLedBitData(8) ; //消隐，只需要设置位选不为0~7即可
对数码管进行消隐操作的原因。
下面我们来编写相应的主函数，并实现数码管上面类似时钟的效果，如显示10-20-30
即10点20分30秒。
Main.c
#include <reg52.h>
#include "MacroAndConst.h"
#include "Timer.h"
#include "Led7Seg.h"
sbit io_led = P1^6 ;
void main(void)
{
io_led = 0 ; //发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
Timer0Init() ;
g_u8LedDisplayBuffer[0] = 1 ;
g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
g_u8LedDisplayBuffer[2] = '-' ;
g_u8LedDisplayBuffer[3] = 2 ;
g_u8LedDisplayBuffer[4] = 0 ;
g_u8LedDisplayBuffer[5] = '-' ;
g_u8LedDisplayBuffer[6] = 3 ;
g_u8LedDisplayBuffer[7] = 0 ;
EA = 1 ;
while(1)
{
LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer) ;
}
}
将整个工程进行编译，看看效果如何
动起来
既然我们想要模拟一个时钟，那么时钟肯定是要走动的，不然还称为什么时钟撒。下面我们在前面的基础之上，添加一点相应的代码，让我们这个时钟走动起来。
我们知道，之前我们以及设置了一个扫描数码管用到的2 ms时标。 如果我们再对这个时标进行计数，当计数值达到500，即500 * 2 = 1000 ms 时候，即表示已经逝去了1 S的时间。我们再根据这个1 S的时间更新显示缓冲区即可。听起来很简单，让我们实现它吧。
首先在Timer.c中声明如下两个变量：
bit g_bTime1S = 0 ; //时钟1S时标消息
static uint16 s_u16ClockTickCount = 0 ; //对2 ms 时标进行计数
再在定时器中断函数中添加如下代码：
if(++s_u16ClockTickCount == 500)
{
s_u16ClockTickCount = 0 ;
g_bTime1S = 1 ;
}
从上面可以看出，s_u16ClockTickCount计数值达到500的时候，g_bTime1S时标消息产生。然后我们根据这个时标消息刷新数码管显示缓冲区：
void RunClock(void)
{
if(g_bTime1S )
{
g_bTime1S = 0 ;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[7] == 10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[7] = 0 ;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[6] == 6)
{
g_u8LedDisplayBuffer[6] = 0 ;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[4] == 10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[4] = 0 ;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[3] == 6)
{
g_u8LedDisplayBuffer[3] = 0 ;
if( g_u8LedDisplayBuffer[0]<2)
{
if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
g_u8LedDisplayBuffer[0]++;
}
}
else
{
if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==4)
{
g_u8LedDisplayBuffer[1] = 0 ;
g_u8LedDisplayBuffer[0] = 0 ;
}
}
}
}
}
}
}
}
这个函数的作用就是对每个数码管缓冲位的值进行判断，判断的标准就是我们熟知的24小时制。如秒的个位到了10 就清0，同时秒的十位加1….诸如此类，我就不一一详述了。
同时，我们再编写一个时钟初始值设置函数，这样，可以很方便的在主程序开始的时候修改时钟初始值。
void SetClock(uint8 nHour, uint8 nMinute, uint8 nSecond)
{
g_u8LedDisplayBuffer[0] = nHour / 10 ;
g_u8LedDisplayBuffer[1] = nHour % 10 ;
g_u8LedDisplayBuffer[2] = '-' ;
g_u8LedDisplayBuffer[3] = nMinute / 10 ;
g_u8LedDisplayBuffer[4] = nMinute % 10 ;
g_u8LedDisplayBuffer[5] = '-' ;
g_u8LedDisplayBuffer[6] = nSecond / 10 ;
g_u8LedDisplayBuffer[7] = nSecond % 10 ;
}
然后修改下我们的主函数如下：
void main(void)
{
io_led = 0 ; //发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
Timer0Init() ;
SetClock(10,20,30) ; //设置初始时间为10点20分30秒
EA = 1 ;
while(1)
{
LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer) ;
RunClock();
}
}
编译好之后，下载到我们的实验板上，怎么样，一个简单的时钟就这样诞生了。
至此，本章所诉就告一段落了。至于如何完成数码管的闪烁显示，就像本章开头所说的那个数码管时钟的功能，就作为一个思考的问题留给大家思考吧。
同时整个LED篇就到此结束了，在以后的文章中，我们将开始学习如何编写实用的按键扫描程序。 |
|
楼主: tangwei039
[复制链接]
发表于 2010-4-21 22:34:56
