Android Things创客DIY第六课-Android Things入门配件包开发案例教程-4位数码管显示

4位数码管显示

之前的《Android Things创客DIY第三课-Android Things入门配件包开发案例教程-数码管显示》中，介绍了如何使用Android Things控制1位数码管显示。本文先对之前的1位数码管做一个回顾，再介绍4位数码管显示原理和动手实践过程。

根据之前的介绍，我们知道，1位数码管是通过8个GPIO控制8个显示段的显示，达到显示不同数字的目的的。1位的8段数码管，相当于8个独立的LED发光二极管。每个独立的发光二极管都有正极(阳)和负极(阴)两根引脚。

所谓共阳，就是把这8个发光二极管的正极(阳)连接在一起，接入到电源正极，通过GPIO分别控制每个发光管的负极，达到控制显示的目的。

所谓共阴，就是把这8个发光二极管的负极(阴)连接在一起，接入到GND上，通过GPIO分别控制每个发光管的正极，达到控制现实的目的。

入门配件包中提供的1位数码管是“1位共阴”的数码管，所以在之前的例子中，我们是将共阴脚接在GND上，将8段的脚分别接在8个GPIO上，控制8个段的GPIO为高电平时该段显示，为低电平时该段不显示。

1位数码管显示的例子

4位数码管显示的物料准备

1. 树莓派3B开发板或 NXP Pico i.MX7D开发板

2. 1KΩ电阻8个(入门配件包中蓝色电阻)

3. 4位数码管

4. 透明热缩管

5. 面包板

6. 杜邦线12根(公-母)

如需购买入门配件包，可访问：淘宝(https://item.taobao.com/item.htm?id=564226570619) 或微店(https://weidian.com/item.html?itemID=2238998104)

了解4位数码管的显示原理

如前文所述，1位数码管的显示需要8个GPIO，那么控制4位数码管，是不是需要4*8=32个GPIO呢？什么样的开发板会提供那么多GPIO???

答案当然是否定的。我们说过数码管每段有正极(阳)和负极(阴)，如前面所述，我们将1位共阴数码管的共阴脚接在GND上，那么如果我们将共阴脚接在另一个GPIO上呢？通过这个GPIO，我们就可以控制这一位数码管是否显示。那么对于4位数码管，我们就可以通过4个GPIO选择我们要显示4位中的哪一位。

显示4位数码管中的某一位

通过这种方式，我们只需要4+8个GPIO，就可以控制4位数码管的每一位依次显示了：

1. 设置第一位数字要显示哪些段
2. 通过GPIO控制第一位数字显示
3. 持续一段时间
4. 关闭第一位数字的显示
5. 设置第二位数字要显示哪些段
6. 通过GPIO控制第二位数字显示
……如此周而复始

那么如何实现4位数字同时显示呢？其实只要上面依次显示的刷新速度足够快，人眼看到的就是同时显示的效果了。

动手实践

入门配件包中提供的4位数码管是”4位共阳“数码管，即控制4位数字某位是否显示的引脚接入正极(阳)——也就是高电平时该位显示；控制数字中某段是否显示的引脚接入负极(阴)——也就是低电平时该段显示。

4位数码管接线图

可以按上图的原理，使用面包板进行接线，先将4位数码管插在面包板上，将数码管的各段对应的引脚，通过电阻引出，再接到开发板上。将每位数字的引脚，通过面包板接到开发板对应的引脚上。连接效果如下图所示：

四位数码管连接图

接下来，我们就可以通过程序控制数码管的显示了。代码同样可以从Github上下载：https://github.com/sysolve/androidthings-digitalDisplay

案例代码已升级到Android Things Developer Preview 7版本，注意开发板系统与代码版本一致。

代码中的FourDigitalActivity.java即为控制4位数码管显示的程序，运行前需要将AndroidManifest.xml中FourDigitalActivity的启动设置注释取消，并将MainActivity的启动设置注销掉。

修改AndroidManifest.xml

程序分析

首先，我们对控制数字的各个段的GPIO进行定义，即digital[0]~digital[7]；对控制数码管4位数字是否显示的GPIO进行定义，即showDigital[0]~showDigital[3]。

定义GPIO

初始化时，我们让所有段、所有数字都不现实，因为是4位共阳数码管，我们将所有段对应的GPIO置为高电平，Gpio.DIRECTION_OUT_INITIALLY_HIGH；将各位数字是否显示的GPIO设置低电平，Gpio.DIRECTION_OUT_INITIALLY_LOW。

初始化完成后，我们先依次显示每位数字的每个段进行一下测试，即代码中调用testDigitalSegment()方法。具体代码不再贴出，逻辑摘要如下：

for-each showDigital[d] //循环每一位数字
showDigital[d].setValue(true); //控制这一位数字显示（置高电平）
for-each digital[i] //循环数字的每一段
digital[i].setValue(false); //控制这一段显示（置低电平）
Thread.sleep(200); //持续200ms
digital[i].setValue(true); //关闭这一段显示（置高电平）
showDigital[d].setValue(false); //控制这一位数字不显示（置低电平）

这样，我们就能依次看到各位数字的各段依次显示的效果了：https://github.com/sysolve/androidthings-digitalDisplay#testdigitalsegment

每段都显示完成后，接下来依次显示数字。

测试依次显示数字

首先我们要定义0-9这10个数字对应数码管各段显示的真值表，真值表与1位数码管显示的例子相同，即数字8显示的真值表为7段都为true，只有最后个点为false。

因为我们用的4为数码管是共阳的数码管，低电平时对应段才显示，我已在使用真值表中的值时，需要先取反。接下来我们来看testDisplayDigital()方法，逻辑如下：

for i = -1 to 10 //依次显示0-9的数字，为-1时不现实
for-each showDigital[d] //遍历每一位数字，即依次在各位数码管上显示数字
displayDigital(i); //调用displayDigital(i)方法，设置显示数字i
showDigital[d].setValue(true); //设置指定位的数码管显示
Thread.sleep(500); //持续500ms
showDigital[d].setValue(false); //设置指定位的数码管不显示

在displayDigital()方法中，我们从真值表中获得指定数字d各段是否显示，并循环设置GPIO，注意，设置GPIO时要先取反。

设置数字对应数码管的GPIO

这样我们就能看到0~9的数字，依次在数码管的各位上显示出来：https://github.com/sysolve/androidthings-digitalDisplay#testdisplaydigital

最后，我们来看看如何通过4位数码管显示4位数字，我们来做个自动累加计数器，并将计数器的数值显示在数码管上。

//自动计数
autoIncNumber();

//将自动计数的数值显示在4位数码管上
display4Digitals();

autoIncNumber()每隔1秒调用一次，即每秒计数+1，并将计数器值转换成4位数字分别存放在digitalForDisplay[]数组中。

display4Digitals()方法是一个持续扫描数码管的各个数位，并将计数器值的对应位显示在对应的数码管对应位上的方法。

while (true) //持续刷新显示
for-each showDigital[d] //依次在每位数码管上显示
//先设置显示的数码管段
displayDigital(digitalForDisplay[d]);

//设置对应的数码管位开启显示
showDigital[d].setValue(true);

Thread.sleep(2); //扫描时间越短，数字显示的闪烁感越弱，如将数值改大，则会看到各个数字位依次显示的效果

//设置对应的数码管位关闭显示
showDigital[d].setValue(false);

这样，我们就完成了数码管显示4位数字：https://github.com/sysolve/androidthings-digitalDisplay#display4digitals

写在后面

1. 数码管可以显示小数点，感兴趣的朋友，可以尝试一下用4位数码管显示小数。

2. 4位数码管显示时，会发现亮度忽亮忽暗的情况，这是因为Android并非实时系统，显示延时并不精确，而扫描各位数字显示时，时间长短直接影响显示亮度。

3. 占用过多GPIO，树莓派3B一共有13个GPIO，NXP Pico iMX7D只有12个，而这个4位数码管就用掉了12个GPIO!

4. 本案例只是为了讲解4位数码管的原理，通常在实际使用中，我们会使用专门的控制芯片去控制数码管的显示，由专用芯片实现数码管各位的扫描显示。通常只需要2~3个GPIO进行数据通讯，主控板将要显示的内容发送给数码管控制芯片即可，具体的扫描显示过程由专用芯片完成，专用芯片中的实时系统保证显示的效果更稳定。在《Android Things创客DIY第五课-硬件开发案例教程-PWM调色-触摸开关-数码管显示-OLED显示》中介绍的带冒号4位数码管，就是通过专用芯片控制数码管显示的。