Java控制树莓派8x8矩阵LED

前几天刚在某宝上买了个树莓派4b 4G内存版，附带了外壳，读卡器，16G TF卡，风扇，散热片，3.5寸电阻屏，几个RGB LED和一个8x8矩阵。我对点亮8x8矩阵这块兴趣较高，所以先拿来研究，由于是java出身，对java熟悉，而且听说过有个叫pi4j的东东，本着想做个自定义报时钟，需要音乐播放器，同时希望显示播放音乐的电平特效，本人之前用java实现过，所以首当其冲选用java。开始设想过用golang，但是golang除了服务外的其他方面太弱，python研究成本较高，因为我对它不是很熟悉。

言归正传，一开始在查阅pi4j时就遇到了一些阻力，因为有人说最新的pi4j v-1对树莓派4支持的不够友好，看了官网确实最新版仅支持3b+，pi4j v-2正在开发，为支持JDK11和其他一些新功能，当然4b也在其中，我也一直担心不兼容问题，不过经过测试，对于本例而言这些担心是多余的。之前看了很多博客，没有一篇是完整的从接线到代码，零零散散，我甚至不知道如何接线，这次把这些详细的都记下来，方便不时之需。

注：向硬件发送数据部分代码是借鉴了其他博客以及卖家给的python代码，照抄，具体含义不清楚，待研究，这篇博客的目的不是理解原理，而是实现目的。

补充：github上还是有好东西的，还是自己太懒，CSDN上也有好几篇关于java的操作博客了：https://github.com/sharetop/max7219-java

说明：本篇仅介绍了基于GNIO最基础操作，8x8LED操作，可以在控制台上查看模拟效果

准备材料

树莓派4b
5根母对母杜邦线
一个MAX7219 LED 8x8矩阵（其他类型的比如74HC595啥的自行研究吧，不清楚）

准备软件

JDK 8
XShell（为Windows准备，Mac或Linux自带终端就够了）
一个可编辑java的工具（txt记事本/node++/vs code/netbeans/eclipse/idea随便）

首先使用XShell连接上树莓派（这个有屏无屏连接方式有很多，百度即可），推荐安装lrzsz命令，方便上传和下载，比linux自带的scp舒服，mac用lrzsz需要费点力气，或安装ftp服务，XManager可图形化管理。然后输入gpio readall命令，你会看到：

留下来备用，拿起你的LED矩阵，查看针脚，然后做对比。python有GPIO的setModel函数做映射切换，java的我没找到，默认使用的是wringPi编号，所以对比wPi这一列，给出对应关系（方便查找）：

[LED]CLK -> [NAME]SCLK ->[BCM]11 ->[WPI]14 -> [BOARD] 23
[LED]DIN -> [NAME]MOSI -> [BCM]10 ->[WPI]12 -> [BOARD] 19
[LED]CS -> [NAME]CE1 -> [BCM]7 -> [WPI]11 -> [BOARD] 26
VCC 电源5v+
GND或- 对应GND（地线或负极，图上为0v）
其他针脚不用管（如果有的话）

java里真正编程时候用到的也就是WPI这一列的编号了，BCM对应图中的BCM，BOARD对应图中的Physical（物理地址）。拿起树莓派，将针脚接口面对自己，USB/网卡接口朝下（或者说也是朝自己）看针脚，针脚和图中的编号一一对应，右边的第一，二个是电源供电出口，这里我的有一组接了散热风扇，占用了右侧的第二个和第三个口，只剩下第一个口可用，剩下的自行对照，一个一个的数哈，一定要对准了把杜邦线往上插就是了。

然后上代码，从其他博客上和卖家给的代码结合扒过来的代码，这部分代码入口仅提供了一个byte[8]的数组，我这里将数组的下标设定为y坐标，每个数组元素控制着x坐标，也就是说数组第一个元素控制第一行灯的亮与灭，以此类推。

import static com.pi4j.wiringpi.Gpio.*;/*** 脚编号使用wip* 使用直接操作，未使用提供的细化api* 全局仅一个对象，不可同时操作* max7219 单色8x8** CLK - > SCLK bcm:11 wpi:14 board:23* DIN - > MOSI bcm:10 wpi:12 board:19* CS -> CE1 bcm:7 wpi:11 board:26* 树莓派4b* 参阅com.shisan.pi.tools.PointToSPI，得到sendPoints方法参数*/
public class Pi4b8x8 {private static final int CS = 11,CLK = 14,DIN = 12;private static final byte []NONE_POINT = new byte[]{0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0};private volatile static boolean hasInit = false;/*** 该byte数组len不大于8。* 从0-7分别代表各个y坐标。* @param xs 表示x坐标*/public static void sendPoints(byte []xs){if(!hasInit){synchronized (Pi4b8x8.class){if(!hasInit){init();hasInit = true;}}}for (int i = 0; i < xs.length; i++) {writeWord(i+1,xs[i]&0xff);}}/*** 使用前必须先init*/private static void init(){wiringPiSetup();pinMode(DIN,OUTPUT);pinMode(CS,OUTPUT);pinMode(CLK,OUTPUT);writeWord(0x09,0x00);writeWord(0x0a,0x03);writeWord(0x0b,0x07);//这个是shutdown命令了，如果需要关闭led设置为 writeWord(0x0c,0x00)writeWord(0x0c,0x01);//显示测试？应该是要不要区别意义不大吧writeWord(0xff,0x00);}/*** 使用完毕后clear（服务退出关闭led）。*/public static void clear(){sendPoints(NONE_POINT);}private static void writeWord(int pin,int num){digitalWrite(CS,HIGH);digitalWrite(CS,LOW);digitalWrite(CLK,LOW);sendNum(pin);sendNum(num);digitalWrite(CS,HIGH);}private static void sendNum(int n){int tmp;for (int i = 0; i < 8; i++) {tmp = n&0x80;if(tmp > 0){digitalWrite(DIN,HIGH);}else{digitalWrite(DIN,LOW);}n = n <<1;digitalWrite(CLK,HIGH);digitalWrite(CLK,LOW);}}
}

在人的世界观里，（x,y）这样的坐标看着更舒服，所以我又封装了一个转换类：

import java.awt.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** @author Shisan* @version V1.0.0* @Package com* @ClassName: Test1* @Description:* @date 2019年11月22日 10:16*/
public class PointToSPI {public static void main(String[] args) throws Exception{PointToSPI t = new PointToSPI();List<Point> list = new ArrayList<>();list.add(new Point(1,1));list.add(new Point(1,2));list.add(new Point(2,1));list.add(new Point(4,5));list.add(new Point(3,3));list.add(new Point(0,7));list.add(new Point(1,7));list.add(new Point(5,5));list.stream().forEach(e->t.add((byte)e.getX(),(byte)e.getY()));t.remove((byte)1,(byte)1);System.out.println(t.toString());}private byte[] result = new byte[8];private byte[] result2;/*** 加入一个坐标点* @param x* @param y*/public void add(byte x,byte y){if(x > 0x7 || y > 0x7){return;}result2 = null;result[y] |= 1 << 7 - x;}public void remove(byte x,byte y){if(x > 0x7 || y > 0x7){return;}result2 = null;result[y] &= ~(1 << 7 - x);}public byte[] get(){return result;}public byte[] get2(){if(result2 == null){result2 = new byte[result.length];for (int i = 0; i < result.length; i++) {result2[i] = (byte)~result[i];}}return result2;}public void clear(){for (int i = 0; i < result.length; i++) {result[i] = 0;}}@Overridepublic String toString(){StringBuilder builder = new StringBuilder();builder.append("   0 1 2 3 4 5 6 7\n");builder.append("  |-|-|-|-|-|-|-|-|\n");for (int i = 0; i < result.length; i++) {builder.append(i).append(":");for (int j = 0; j < 8; j++) {builder.append("|").append((1<<7-j&result[i])!=0?"@":" ");}builder.append("|\n");}builder.append("  |-|-|-|-|-|-|-|-|");return builder.toString();}
}

综上所述，代码可写为这样就能完成发送：

public static void main(String args[]){PointToSPI p = new PointToSPI();//点亮左上角第一个灯p.add((byte)0,(byte)0);//在控制台查看效果System.out.println(p.toString());//发送给LED矩阵显示Pi4b8x8.sendPoints(p.get());
}

如果你追求效率的话，就不推荐将点拆分为x,y的坐标了，还是合并起来更好。一个8x8 LED矩阵由8个1字节组成的数组组成，在java中，如果想用一个变量就能表示那long类型就再合适不过了，随后我对这个做了升级，摒弃了PointToSPI类。

以下这个类自带了一些效果图

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.Random;public class DefaultFont8x8 {/*** 笑脸娃娃*/public static final long FACE_HAPPY = 4342214966986228284L;public static final long FACE_UNHAPPY = 4342214966785688124L;public static final long FACE_NORMAL = 4342214966382248508L;public static final long FACE_SHRPRISE = 4342214966784901692L;/*** 符号*/public static final long SIGN_FALSE = -9132697443079273855L;public static final long SIGN_TRUE = 283966729879552L;public static final long SIGN_WARN = 1739555223478305279L;public static final long SIGN_LOADING = 9097873883144667774L;public static final long SIGN_LOADING_FILL = 9114788770027961982L;public static final long SIGN_EMBARRASS = -35565062528073217L;public static final long SIGN_LOVE = 7393082656524739608L;public static final long SIGN_LOVE_FILL = 7421932185898073112L;//?public static final long SIGN_UNKONW = 2027184998608011272L;//#public static final long SIGN_PAND = 10271792857752576L;/*** 数字*/public static final long NUM_ZERO = 2027224744808555036L;public static final long NUM_ONE = 583224982331983900L;public static final long NUM_TWO = 2027184998608544318L;public static final long NUM_THREE = 2027185032866701852L;public static final long NUM_FOUR = 291630221331661828L;public static final long NUM_FIVE = 9097342148642226748L;public static final long NUM_SIX = 4342103893170340412L;public static final long NUM_SEVEN = 9079822015070736400L;public static final long NUM_EIGHT = 4342105817315689020L;public static final long NUM_NINE = 4342105824827671100L;/*** 双位数字显示*/public static final long NUM_0_RIGHT = 145528082076599554L;public static final long NUM_1_LEFT= 4665799858655871200L;public static final long NUM_1_RIGHT = 145806245582995975L;public static final long NUM_2_LEFT = 4656757337594306784L;public static final long NUM_2_RIGHT = 145523666799822087L;public static final long NUM_3_LEFT = 4656757474490097728L;public static final long NUM_3_RIGHT = 145523671077815554L;public static final long NUM_4_LEFT = 2333041218733219872L;public static final long NUM_4_RIGHT = 145815076170826242L;public static final long NUM_5_LEFT = -2269672649533677376L;public static final long NUM_5_RIGHT = 505533482005496070L;public static final long NUM_6_LEFT = 4656863579518050368L;public static final long NUM_6_RIGHT = 145526986859939074L;public static final long NUM_7_LEFT = -2296800349626793856L;public static final long NUM_7_RIGHT = 504685741377586180L;public static final long NUM_8_LEFT = 4656898214134325312L;public static final long NUM_8_RIGHT = 145528069191697666L;public static final long NUM_9_LEFT = 4656898349417406528L;public static final long NUM_9_RIGHT = 145528073419293954L;/*** 大写字母*/public static final long UPPER_A = 582127782826426689L;public static final long UPPER_B = 8953792110620983932L;public static final long UPPER_C = 4342103635438617148L;public static final long UPPER_D = 8953791861512880764L;public static final long UPPER_E = 9097342149686476926L;public static final long UPPER_F = 9097342149686476864L;public static final long UPPER_G = 4485656002443756094L;public static final long UPPER_H = 4774451665011098178L;public static final long UPPER_I = 2019873263463172124L;public static final long UPPER_J = 2019873263463180304L;public static final long UPPER_K = 2460135483748131362L;public static final long UPPER_L = 2314885530818453566L;public static final long UPPER_M = -4511668628444591799L;public static final long UPPER_N = -4367838175208782266L;public static final long UPPER_O = 4342105843085492796L;public static final long UPPER_P = 8953791862485827648L;public static final long UPPER_Q = 4342105843085623869L;public static final long UPPER_R = 8953791871008916034L;public static final long UPPER_S = 4342103617214497340L;public static final long UPPER_T = 9153575073218037768L;public static final long UPPER_U = 4774451407313060412L;public static final long UPPER_V = 4702077015947482120L;public static final long UPPER_W = 4702156215280079892L;public static final long UPPER_X = 4693335786401309249L;public static final long UPPER_Y = 4693335786400516104L;public static final long UPPER_Z = 9079824231409139838L;/*** 动态组合*/public static final long[] GIF_CIRCLE_LOADING = new long[]{9123619555872702846L,9119115964835266942L,9116864165055136126L,9115738265148424574L,9115736066125170046L,9115736057535237502L,9115736057501687166L,9115736057501564286L,9115736057505757566L,9115736058579497342L,9115736333457400190L,9115806702201569662L,9124813901452116350L,9129317500005745022L,9131569024941523326L,9132624556104188286L,};public static final long[] GIF_LINE_LOADING = new long[]{35608723204439552L,35608481746746880L,35608361017900544L,35608300653477376L,35608542111170048L,35608662840016384L};/*** 获取SPI点* @param points* @return*/public static byte[] getPoints(long points){byte ps[] = new byte[8];for (int i = 0; i < ps.length; i++) {ps[i] = (byte)(points >> (7 - i << 3) & 0xff);}return ps;}/*** 获取所有坐标点* @param points* @return*/public static long[] getAllSingleOfPoints(long points){byte num = getNumOfPoints(points);long singleOfPoints[] = new long[num];long p;for (int i = 0,j =0; i < 64 && j<num; i++) {if(((p = 1L << i & points)) != 0){singleOfPoints[j] = p;j ++;}}return singleOfPoints;}public static long[] randomSinglePoints(long[] points){int r = 0;Random random = new Random();long newPoints[] = new long[points.length];System.arraycopy(points,0,newPoints,0,points.length);for (int i = 0; i < newPoints.length; i++) {r = random.nextInt(newPoints.length);if(newPoints[i] != newPoints[r]){newPoints[i] = newPoints[i] ^ newPoints[r];newPoints[r] = newPoints[i] ^ newPoints[r];newPoints[i] = newPoints[i] ^ newPoints[r];}}return newPoints;}/*** 获取点个数* @param points* @return*/private static byte getNumOfPoints(long points){byte res = 0;while(points != 0){points = points & (points - 1);res ++;}return res;}public static void main(String[] args) throws Exception {//这里做演示，获取到一个byte[8]数组视为完成发送（伪发送）。//可以传递给PointToSPI在控制台上查看效果//发送12给LEDgetPoints(NUM_1_LEFT|NUM_2_RIGHT);//实现一个动态的碎片化到完整文字的特效long[] all = randomSinglePoints(getAllSingleOfPoints(SIGN_FALSE));long o = 0L;//为了查看效果而引入的。PointToSPI p = new PointToSPI();//反射获取值Field f = ReflectUtil.getFieldByName("result",p.getClass());f.setAccessible(true);for (int i = 0; i < all.length; i++) {byte []v = getPoints(o |= all[i]);f.set(p,v);//打印查看效果System.out.println(p.toString());Thread.sleep(100);}f.setAccessible(false);}
}

当然上面那么一大堆的东东不是我一个一个试验的，而是用javafx写了个简陋的8x8造字程序。

文字平移和滚动

基于上述的一个long代表一个图案，然后将这个图案向左向右平移（上下平移自行实现吧，我这里没这样的需求）。

/*** @author Shisan* @version V1.0.0* @Package com.shisan.pi.clock.simple* @ClassName: PointLineTranslationTools* @Description:* @date 2019年12月23日 15:49*/
public class PointLineTranslationTools {public static long toLeft(long point,byte px){if(px > 7){return 0;}point = point << px;byte x;for (int i = 0; i < 63; i+=8) {x = 0;for (; x < px ; x++) {point &= ~(1L << i+x);}}return point;}public static long toRight(long point,byte px){if(px > 7){return 0;}point = point >>> px;byte x;for (int i = 7; i < 63; i+=8) {x = 0;for(;x < px;x++){point &= ~(1L << i-x);}}return point;}/**** @param front* @param after* @param offset 最大值7，最小值-7* @param space 间隔，不高于127，不小于0* @return*/public static long follow(long front,long after,byte offset,byte space){if(space < 0){space = 0;}if(offset < 0){if(offset > -8 && front!=0){front = toLeft(front,(byte)(~offset+1));}else{front = 0;}offset = (byte)(8+offset+space);if(offset > 7 || after == 0){after = 0;}else{after = toRight(after,offset);}}else{after = 0;if(offset > 8 || front == 0){front = 0;}else{front = toRight(front,offset);}}return front|after;}}

最后结合桢就可以实现平移动画，这里有一个现成的文字从右往左滚动特效：

import com.shisan.pi.tools.DefaultFont8x8;
import com.shisan.pi.tools.PointToSPI;
import com.shisan.pi.tools.ReflectUtil;import java.lang.reflect.Field;
import java.util.LinkedList;import static com.shisan.pi.clock.simple.PointLineTranslationTools.*;/*** @author Shisan* @version V1.0.0* @Package com.shisan.pi.clock.simple* @ClassName: HLineAnimation* @Description: 横向滚动从左到右* @date 2019年12月23日 15:43*/
public class HLineAnimation {private LinkedList<TextTools.TextProperty> datas;private volatile TextTools.TextProperty first;private volatile TextTools.TextProperty next;private volatile TextTools.TextProperty current;private volatile int offset;private volatile int space;private volatile int loopTimes = 0;/*** 1 - 结束后等全部消失再第二次重复* 0 - 自然重复*/private volatile int state;public HLineAnimation(LinkedList<TextTools.TextProperty> datas){this.datas = datas;current = first = datas.poll();datas.add(first);next = datas.poll();datas.add(next);offset = 8;space = next.getSpace();}public int getLoopTimes(){return loopTimes;}public void setLastLoopState(int state){this.state = state;}public int getLastLoopState(){return this.state;}public long getNext(){long p;if(offset > -7){if(offset<0 && state > 0 && next == first){p = follow(current.getPoints(),0,(byte)offset,(byte)space);}else{p = follow(current.getPoints(),next.getPoints(),(byte)offset,(byte)space);}offset --;}else{offset = space + 1;if(next == first){loopTimes++;if(state > 0){offset = 8;}System.out.println("结束一遍");}current = next;next = datas.poll();datas.add(next);space = next.getSpace();p = follow(current.getPoints(),next.getPoints(),(byte)offset,(byte)space);offset --;}return p;}public static void main(String[] args) throws Exception{//TextTools是一个文字映射到Default8x8的map，这里可以自行来几个long类型的形状添加进去，这里实现了一个ABCDE5个字母来回滚动效果。HLineAnimation h = new HLineAnimation(TextTools.textToPoints("ABCDE"));h.setLastLoopState(1);PointToSPI p = new PointToSPI();Field f = ReflectUtil.getFieldByName("result", p.getClass());while(true){f.setAccessible(true);f.set(p, DefaultFont8x8.getPoints(h.getNext()));f.setAccessible(false);System.out.println(p.toString());try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {}}}
}

为了代码的完整性，还是把TextTools贴出来吧:

import com.shisan.pi.tools.DefaultFont8x8;
import lombok.Data;import java.util.HashMap;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Map;/*** @author Shisan* @version V1.0.0* @Package com.shisan.pi.clock.simple* @ClassName: TextTools* @Description:* @date 2019年12月23日 15:06*/
public class TextTools {private static final Map<Character,Long> MAPPING = new HashMap<Character,Long>(){{put('0', DefaultFont8x8.NUM_ZERO);put('1', DefaultFont8x8.NUM_ONE);put('2', DefaultFont8x8.NUM_TWO);put('3', DefaultFont8x8.NUM_THREE);put('4', DefaultFont8x8.NUM_FOUR);put('5', DefaultFont8x8.NUM_FIVE);put('6', DefaultFont8x8.NUM_SIX);put('7', DefaultFont8x8.NUM_SEVEN);put('8', DefaultFont8x8.NUM_EIGHT);put('9', DefaultFont8x8.NUM_NINE);put('A', DefaultFont8x8.UPPER_A);put('B', DefaultFont8x8.UPPER_B);put('C', DefaultFont8x8.UPPER_C);put('D', DefaultFont8x8.UPPER_D);put('E', DefaultFont8x8.UPPER_E);put('F', DefaultFont8x8.UPPER_F);put('G', DefaultFont8x8.UPPER_G);put('H', DefaultFont8x8.UPPER_H);put('I', DefaultFont8x8.UPPER_I);put('J', DefaultFont8x8.UPPER_J);put('K', DefaultFont8x8.UPPER_K);put('L', DefaultFont8x8.UPPER_L);put('M', DefaultFont8x8.UPPER_M);put('N', DefaultFont8x8.UPPER_N);put('O', DefaultFont8x8.UPPER_O);put('P', DefaultFont8x8.UPPER_P);put('Q', DefaultFont8x8.UPPER_Q);put('R', DefaultFont8x8.UPPER_R);put('S', DefaultFont8x8.UPPER_S);put('T', DefaultFont8x8.UPPER_T);put('U', DefaultFont8x8.UPPER_U);put('V', DefaultFont8x8.UPPER_V);put('W', DefaultFont8x8.UPPER_W);put('X', DefaultFont8x8.UPPER_X);put('Y', DefaultFont8x8.UPPER_Y);put('Z', DefaultFont8x8.UPPER_Z);}};public static LinkedList<TextProperty> textToPoints(String text){char strs[] = text.toUpperCase().toCharArray();LinkedList<TextProperty> ps = new LinkedList<>();TextProperty p = new TextProperty();char c;for (int i = 0; i < strs.length; i++) {c = strs[i];if(c == ' '){p.setSpace((byte)(p.getSpace()+1));}else{p.setPoints(MAPPING.getOrDefault(c,DefaultFont8x8.SIGN_UNKONW));ps.add(p);p = new TextProperty();}}return ps;}@Datapublic static class TextProperty{private long points;private byte space;}public static void main(String[] args) {
//        LinkedList<TextProperty> ps = textToPoints("a   bc d 你");
//        System.out.println(ps);}}

利用Swing和AWT包完成文字提取（java对文字操作我不是很熟，曲线救国）

话说，8x8的提取还是了解了解就好，毕竟像素太低了，提取出来的都不及自己画出来的好看。利用Graphics和BufferedImage类可以轻松实现：

BufferedImage bi = new BufferedImage(size,size,BufferedImage.TYPE_3BYTE_BGR);
Graphics2D g2d = bi.createGraphics();
g2d.setPaint(new Color(0x000000));
g2d.fillRect(0,0,size,size);
//g2d.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_ANTIALIASING,RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON);
g2d.setPaint(new Color((Integer) getOwnProperty(KEY_COLOR)));
g2d.setFont(new Font((String) getOwnProperty(KEY_FONT_FAMILY), fontBold,fontSize));
g2d.drawString(String.valueOf(text),0, fontSize-1);
for(int i=0;i<bi.getWidth();i++){for(int j=0;j<bi.getHeight();j++){int rgb = bi.getRGB(i,j);if((rgb&0x00ffffff)!=0){//i为x坐标，j为y坐标。}}
}

基于上面的原理，不光是文字，图片也是可以提取的，如果想看效果，就买上N个8x8 led拼起来看吧，对于多个led拼装的代码尚未研究，我手头也没硬件暂不考虑。可以先看下在手机上展示的效果，很有意思，这是我做的一个验证码效果图：

在实际使用中，如果你写了多个java应用一起点亮led是有问题的，我这里使用了netty做了一个统一的服务，每个需要点亮led的都去申请服务授权，每个申请者有都需要表明自己的优先级，优先级高的优先被展示，优先级低的将不再展示，直到优先级高的释放了自己的连接后才会展示优先级低的数据，就类似于桌面上一个窗口遮住了另一个窗口。

好了就写这么多了，把自己研究的核心的内容基本都贴上去了。