README.md · sjzc-qwz/dled_ctl

# dled_ctl
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### 介绍

dled_ctl 是一个易用且高效的动态数码管控制库，用于驱动 3461AS-1 数码管。 
依赖 **74HC138** 和 **74HC245** 两个译码器。

目前，本库在 51 单片机（STC89C52）上测试通过，3461AS-1 是一个共阴极的数码管。

### 关于此库

*dlec_ctl* - 动态数码管控制库 (3461AS-1) - Version 1.3.2 
*by Nixsawe <ziming_cool@126.com>*

由于作者目前仍在学习单片机，因此代码或文档叙述中可能包含错误或者有语言不当的地方，请大家抱着质疑的态度来阅读文档及代码。 
欢迎报告 BUG！欢迎交流！

### 为什么编写这个库

抽象与封装，是现代计算机能够高效设计、开发、运行的基石。 
在每次使用时现写代码，现场设计点亮数码管的逻辑并不现实。 
为了方便开发，更方便地使用 3461AS-1 数码管，特封装此库。

### 使用方法

将 `dled_ctl.c` 添加到工程中
![添加文件到工程](img/img-add-source.png "将 dled_ctl.c 添加到工程中")

然后将库所在目录，添加到工程的包含目录列表 (`INCLUDE DIR`)
![添加包含目录](img/img-add-include-path.png "将 dled_ctl 库文件所在路径添加到包含目录列表中")

然后在要调用库函数、或是使用本功能的源文件中引用头文件 `dled_ctl.h`
![包含头文件](img/img-include-header.png "在源文件中包含头文件 dled_ctl.h")

### 减小空间占用

本库提供了多个函数，但实际用户可能就用到其中的一个或两个函数。可以**通过删除未使用的函数减小空间占用**。

可以在 `Target Options` 中用 `LX51` 代替 `BL51`，然后在 `LX51 Misc` 标签页中的 `Misc Control` 中加入 `REMOVEUNUSED`。

使用 `LX51` 代替 `BL51`
![配置连接器](img/img-use-lx51.png "在 Device 选项卡中设置使用 LX51 连接器")

添加 `REMOVEUNUSED` 连接器参数
![配置连接参数](img/img-lx51-controls.png "在 LX51 Misc 选项卡中添加 REMOVEUNUSED 参数")

### 功能原理

3461AS-1 数码管属于**动态数码管**，无法同时点亮多组数码管 *(在本库中，一个数码的位置认为是一组)*。

若需要同时显示多个数字，则需要利用发光管的余晖和人眼的视觉残留效果实现，即，**以较高的频率不断扫描点亮所有数码管**。

&nbsp;

在普中 A2 开发板中，单片机要完整实现点亮数码管的功能，需要用到两个译码器，**74HC138** 和 **74HC245**。

&nbsp;

**74HC138 译码器负责选择特定的一组数码管**。这个功能是通过**位选线**实现的。74HC138 的 A、B、C 分别与单片机 P2 口的 P2.2、P2.3、P2.4 脚连接。

位选的逻辑是这样的：定义低电平为 0，高电平为 1，则 **(A + B\*2 + C\*2\*2)** 为实际选中的数码管编号减 1。

例如，当 74HC138 的 A、B、C 口输入均为低电平，则将选中编号为 1 的数码管，即右数第一组。此时表达式 (A + B\*2 + C\*2\*2) 的值为 0，**为了便于描述，我们就说该组数码管的地址（或称索引）是 0**。

而当 A、C 输入低电平，B 输入高电平时，将选中编号为 3 的数码管，即右数第三组。

![选择数码管](img/img-74hc138.png "74HC138 译码器负责根据位选线选择数码管")

**74HC245 译码器负责点亮所选数码管的特定位置。** 该译码器的 A 口与单片机的 P0 口是一一连接的，B 口则按 B0-B7 的顺序依次与译码管的 abcdefg 脚及 dp 脚连接。**A 口输入的针如果是高电平，则将点亮 B 口对应位置的发光管。**

若将 74HC245 的 A0-A7 整体视为一个字节，则可认为**字节中二进制 1 代表对应位置被点亮，二进制 0 代表对应位置熄灭**。这个字节值，在本库中称为**字节码**，用于代表特定的发光组合。易知每一组数码管共有 256 种发光组合。 
（字节码每一位与发光位置对应关系见[宏定义](#宏定义)）

&nbsp;

本库已将所需功能封装成多个方法，可直接调用函数完成点亮或清除数码管显示的功能。不过有一点要特殊强调，***为了更方便理解，本库对数码管的索引顺序与 74HC138 译码器的索引顺序是相反的***。

译码器中使用地址 0-7 依次索引**从右至左**的各组数码管，而本库中使用地址 0-7 依次索引**从左至右**的数码管，顺序恰好相反。

例如，当在本库中访问索引为 5 的数码管时，代表访问左数第 6 组数码管，将置 74HC138 译码器的 A 为低、B 为高、C 为低，此时的真实索引地址为 2，选中右数第 3 组数码管（和左数第 6 组是同一回事）。

| A | B | C | pos索引 | 真实索引 | 含义            |
|:-:|:-:|:-:|:-------:|:--------:|:---------------:|
| 0 | 0 | 0 | 7       | 0        | 从左至右第 8 组 |
| 0 | 0 | 1 | 6       | 1        | 从左至右第 7 组 |
| 0 | 1 | 0 | 5       | 2        | 从左至右第 6 组 |
| 0 | 1 | 1 | 4       | 3        | 从左至右第 5 组 |
| 1 | 0 | 0 | 3       | 4        | 从左至右第 4 组 |
| 1 | 0 | 1 | 2       | 5        | 从左至右第 3 组 |
| 1 | 1 | 0 | 1       | 6        | 从左至右第 2 组 |
| 1 | 1 | 1 | 0       | 7        | 从左至右第 1 组 |

### 调用逻辑

相较于手动方式，本库提供了一套易于使用的函数接口。

输出内容分两种，一是纯数字内容 (可能包含负号)，二是任意类型数据 (可通过数码管的位置组合点亮成自己想要的图形)。

#### 对于纯数字内容

如果仅想测试数码管是否能点亮，不需要较好的显示效果，亦不对性能做要求，则可以直接调用库函数 `dledShowNumber`，关于函数的说明内容可见[后文](#方法调用 "目标章节包含了所有方法的原型及其使用说明")。

下面两个例子展示了 `dledShowNumber` 函数的使用方式：

// 文件 sample/print123.c
	#include "dled_ctl.h"
	void main()
	{
		// 同时点亮多组数码管，需要用到动态扫描的方式
		// 需要不断调用函数点亮数码管
		while(1)
		{
			// 在数码管中点亮一个 123，向右对齐
			dledShowNumber(123, 0);
		}
	}

其实验现象如下图 
![print123 运行结果](img/sample-print-123.jpg "print123.c 运行结果")

// 文件 sample/print_neg.c
	#include "dled_ctl.h"
	void main()
	{
		// 同时点亮多组数码管，需要用到动态扫描的方式
		// 需要不断调用函数点亮数码管
		while(1)
		{
			// 在数码管中点亮一个 -123456，向右对齐，前补 0，负号将显示在最左边
			dledShowNumber(-123456, 1);
		}
	}

其实验现象如下图 
![print_neg 运行结果](img/sample-print-neg.jpg "print_neg.c 运行结果")

从图中可以看到，位数较多时，数码管的显示效果不是很好，部分数码管的亮度较低。而在实际应用中，单片机要同时处理多个任务，可能导致显示效果更差。这种现象是 `dledShowNumber` 的工作机制引起的。

`dledShowNumber` 函数会调用 `dledMakeBuffer`，根据传过去的数值，填充对应的缓冲区，再调用 `dledShowBuffer` 进行显示。而 `dledMakeBuffer` 函数用到了很吃单片机性能的除法运算。在之前的循环中，我们反复调用 `dledShowNumber` 函数，期间大部分时间消耗于整数除法运算上，数码管点亮时间相对较短，故而看起来是较暗的。

合理优化顺序，在主要的循环中剥离缓冲区的构造过程，循环中仅负责根据缓冲区内容点亮数码管，则效率会显著提升。那么应在什么时候构造缓冲区呢？这个应视具体情况而定。

对于固定的内容，我们可以将其置于循环体外，提前构造，如下面的代码，我们固定点亮一排数字 12345678

// 文件 sample/buffered.c
	#include "dled_ctl.h"
	void main()
	{
		// 提前构造好缓冲区
		dledMakeBuffer(12345678, 0);
		while(1)
		{
			// 反复调用函数输出缓冲区的内容
			dledShowBuffer();
		}
	}

其实验现象如下图 
![buffered 运行结果](img/sample-buffered.jpg "buffered.c 运行结果")

对于动态变化的内容，我们可以在其变化时临时构造一次，来更新内容，然后在其未变时，则直接根据之前的缓冲区内容点亮数码管。

#### 任意类型数据

可借助 `DLED_ABC` 宏函数实现在指定位上进行点亮，从而实现少数字母的显示，或者其他自定义图案。

为了简便，我们以字符 7 为例，我们手动绘制一个 7，要点亮的位示意如下

![字符 7](img/img-single-led-7.png "字符 7 要点亮的位")

则对应的字节码应构造为 `DLED_ABC(1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0)`。

想要在左数第二组数码管的位置处点亮这个字符 7，我们可以用如下的代码

dledShow(DLED_ABC(1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0), 1);

我们可以使用 `dledShowBytes` 同时点亮多组数码管，当然，是动态显示。

// 定义一个数组
	DLED_T buf[3] = {
		DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0),	// 字符 3
		DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0),	// 字符 0
		DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0)	// 字符 3
	};
	while(1)
	{
		// 从第 6 个位置起点亮连续 3 组数码管
		dledShowBytes(buf, 5, 3);
	}

可以使用宏定义来简化代码，如上述代码可以写成

// 定义字符 3 和字符 0 的字节码
	#define DLED_DIGIT_0 DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0)
	#define DLED_DIGIT_3 DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0)
	// 定义一个数组
	DLED_T buf[3] = {
		DLED_DIGIT_3,	// 字符 3
		DLED_DIGIT_0,	// 字符 0
		DLED_DIGIT_3	// 字符 3
	};
	while(1)
	{
		// 从第 6 个位置起点亮连续 3 组数码管
		dledShowBytes(buf, 5, 3);
	}

在实际使用中，`dled_ctl.h` 中已封装好数字字符的定义，用户可直接使用该宏而无需自行定义。详见后文[宏定义](#宏定义)。

也可以使用 `dledShowDigits` 达到同样的效果，效率几乎不受影响。不过 `dledShowDigits` 只能显示数字。

// 定义一个数组
	DLED_T buf[3] = { 3, 0, 3 };
	while(1)
	{
		// 从第 6 个位置起点亮连续 3 组数码管
		dledShowDigits(buf, 5, 3);
	}

数码管点亮效果示意如下图

![点亮多组数码管](img/img-led-303.png "点亮多组数码管")

由于模块暴露了 `dled_buffer` 缓冲区数组，用户代码中，可以直接对这个数组进行修改，然后再用 `dledShowBuffer` 将缓冲区内容显示出来。例如，下面的代码将在第 4、5、6 组数码管上点亮字符 CEO。

// 将缓冲区清零（仅在缓冲区之前有内容时才需要）
	dledClear();
	// 修改缓冲区数据
	dled_buffer[3] = DLED_ABC(1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0);
	dled_buffer[4] = DLED_ABC(1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0);
	dled_buffer[5] = DLED_ABC(1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0);
	while(1)
	{
		// 点亮数码管
		dledShowBuffer();
	}

![点亮字符 CEO](img/img-led-ceo.png "修改缓冲区点亮字符 CEO")

### 类型定义

库的代码中定义了一个 8 位无符号整数类型 ***DLED_T***。

typedef unsigned char DLED_T;

当为函数传递一个数组或一个字节码时，需要使用该类型进行定义，比如

DLED_T buffer[8];	// 定义一个数组
	dledFormat(-1023, buffer, 8);	// 调用函数 dledFormat，将 -1023 数值转换成可显示的字节码，右对齐置于 buffer 中

### 方法调用

本库提供了多个已封装好的方法，可以按如下分类：

1. 点亮或清除单独一组数码管
	* ***void*** dledShowDP(***DLED_T*** byte, ***DLED_T*** dp, ***DLED_T*** pos);
	* ***void*** dledShow(***DLED_T*** byte, ***DLED_T*** pos);

上面这两个函数都可以用于点亮或清除特定的一组数码管。 
	其中 `byte` 为表示发光组合的**字节码**，`dp` 用于单独指定小数点的发光状态 (`dledShow` 中使用 `byte` 的最高位指定它)。 
	`pos` 则为所选的数码管地址 (索引)。

当 `byte` 的数值非 0 时，代表点亮对应的数码管，当 `byte` 的数值为 0，代表该组数码管的所有位置都熄灭，即清除数码管显示。

2. 点亮或清除所有数码管
	* ***void*** dledShowBytes(***DLED_T \**** a, ***int*** start_pos, ***int*** length);
	* ***void*** dledShowDigits(***DLED_T \**** a, ***int*** start_pos, ***int*** length);

这两个函数通过 `start_pos` (起始索引) 和 `length` (显示长度) 来指定欲点亮数码管的范围。

对于 `dledShowBytes`： 
	`a` 应指向一个数组，这个数组内**应至少包括 `length` 个元素**，每个元素均为一个字节码。

对于 `dledShowDigits`： 
	类似上者，不过 `a` 的每个元素为一个 10 以内的自然数 (不包括 10)，**函数会将其转换成对应的字节码再进行使用** (转换过程不影响原数组内容)。

3. 将整型数值格式化成字节码数组
	* ***void*** dledFormat(***long*** number, ***DLED_T \**** a, ***int*** length);

本函数将数值 `number` 按正序转换成多个字节码，置于数组 `a` 中。数值的十进制位数应不超过 `length`。 
	转换得到的字节码会**右对齐**置于数组 `a` 的**尾部**，前面的部分 (如果有) 被清空 (不点亮)。

**数值可以为负**，这样第一个字节码为一个负号的组合。 
	如果数值的十进制位数 (包括负号) 比 `length` 长，则整个数组被清空，数组的最后一个字节被设为负号的字节码。

4. 按数值内容点亮一组或多组数码管
	* ***void*** dledShowNumber(***long*** number, ***int*** show_prefix);

本函数将数值 `number` 逐 10 进制位转换成多个字节码，并按这些字节码点亮一组或多组数码管。 
	若 `show_prefix` 不为零，则当 `number` 数值不足 8 个 10 进制位 (对于负数，也包括负号) 时，前面空余位置将显示 0。

本函数会将转换好的字节码存于库内的一个缓冲区内 (`dled_buffer`，见后文“变量使用”)，所以后续维持点亮可以直接调用 `dledShowBuffer` 函数 **(也会大大提高效率)**。 
	*这个函数会修改缓冲区的内容。*

5. 点亮/清空所有数码管显示
	* ***void*** dledSetAll();
	* ***void*** dledClear();

其中，`dledSetAll` 函数将点亮所有数码管的所有发光管；`dledClear` 则用于清除所有数码管显示内容。

一般用于进行提示，或是测试数码管好坏。 
	*这两个函数均会修改缓冲区的内容。*

6. 直接缓冲区操作
	* ***void*** dledMakeBuffer(***long*** number, ***int*** show_prefix);
	* ***void*** dledShowBuffer();

这两个函数将直接访问/修改库内的缓冲区。 
	其中 `dledMakeBuffer` 类似 `dledShowNumber`，不同的是 `dledMakeBuffer` 仅进行数值到字节码的转换，并写到缓冲区内，并不实际点亮数码管。 
	`dledShowBuffer` 则是根据缓冲区内容，直接点亮对应的数码管。

将数值转换成字节码需要进行整数除法，**而单片机处理该运算较慢，动态扫描点亮会导致严峻的性能损耗**。如果有大量显示需求，或者对性能要求较高，则一般需要**先进行转换，预先生成目标字节码，然后动态扫描点亮。** 
	*`dledMakeBuffer` 会修改缓冲区的内容。*

注：点亮一组数码管后，除非再次点亮别组的数码管，否则**该组数码管将维持点亮状态**，因此可能需要清除。而同时点亮多组数码管，是通过**动态扫描的方式，不断依次点亮各组数码管**，当动态扫描停止，将只有最后一次访问的数码管保留点亮状态。

### 宏定义

用户可以使用库里定义的宏：

***DLED_T_(x)*** 将整数 x 强制转换成 ***`DLED_T`*** 类型，返回转换后的值。

***DLED_ABC(a,b,c,d,e,f,g,dp)*** 按照要点亮的位置，直接构建并返回一个字节码。 
![位置对应关系](img/img-led-pos.png "位置对应关系")

***DLED_BYTE_DP(byte,dp)*** 构建并返回字节码，用指定的 `dp` 单独覆盖小数点位置。

***DLED_DIGIT_0*** 到 ***DLED_DIGIT_9*** 分别表示数字 0 到 9 的字节码。

***DLED_DIGIT_MINUS*** 负号的字节码。

***DLED_ADDR*** 动态数码管对应的特殊寄存器，可用 `DLED_ADDR = byte;` 这样的写法手动调整当前数码管的点亮状态。

***DLED_PCTL_A***、***DLED_PCTL_B***、***DLED_PCTL_C*** 控制位选线的三个特殊寄存器，分别为一个单独引脚。

用于可以在工程中设置定义以下的宏来配置所使用的引脚等：

***DLED_ADDR*** 配置 74HC245 译码器的 A 口所连的口，如 P0、P1 
***DLED_PCTL_A*** 配置 74HC138 译码器的 A 所连线 
***DLED_PCTL_B*** 配置 B 所连线 
***DLED_PCTL_C*** 配置 C 所连线

### 变量使用

*DLED_T* dled_digit\[10\]; 
包含 0-9 对应的字节码，用户可以自己配置映射关系。

*DLED_T* dled_buffer\[8\]; 
内部的缓冲区，可手动修改缓冲区内容，然后调用 `dledShowBuffer` 实现自定义的内容绘制。

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