7-Segment-LED-Anzeige

Notwendiges Wissen: [HW] User Interface Module, [LIB] Delay, [LIB] 7-segment LED Display, [PRT] Light-emitting Diode

Die 7-Segment-LED-Zifferanzeige ist ein Display, welches aus sieben, in Form einer Acht angeordneten, LEDs besteht. Durch Ein- oder Ausschalten der entsprechenden LED´s (Segmente) ist es möglich Zahlen von 0-9 sowie einige Buchstaben darzustellen.

Positionierung der Anzeigensegmente des LED sowie elektrisches Schema.

Elektrisch werden alle Anoden der LEDs an einer Anode am Pin ca angeschlossen. Die LEDs leuchten durch Schalten ihrer Kathoden (a, b, c …). Es gibt auch andere Verbindungen, bei denen die Anzeigen eine gemeinsame Kathode cc haben. Allgemein werden verschiedene Zifferanzeigen zur Darstellung mehrstelliger Ziffern genutzt. Hierzu verfügt das Display über ein Komma- (Punkt-) Segment dp. Insgesamt besitzt eine Anzeige dann 8 Segmente, wird jedoch aufgrund der Anzahl von Ziffer-Segmenten weiterhin 7-Segment-Display genannt.

LED number-indicators are easy to use, they can be controlled directly from the pins of the microcontroller, but there are also special drivers, which able to control number-indicators using fewer pins of the microcontroller. There are different colors of LED number indicators, which can be very bright and very large. For displaying the entire Latin alphabet exist indicators with extra segments.

Die Benutzung von LED Zifferanzeigen ist recht einfach. Sie können direkt über die Pins des Mikrocontrollers kontrolliert werden. Es gibt jedoch auch spezielle Treiber, die dafür sorgen, dass für die Nutzung der Anzeige weniger Pins des Mikrocontrollers benötigt werden. Es gibt zwei verschiedene Farben von LED-Zifferanzeigen, die sehr klar und groß sein können. Zur Anzeige des gesamten Alphabets gibt es Anzeigen mit zusätzlichen Segmenten.

Am digitalen I/O Modul befindet sich eine 7-Segment-LED-Zifferanzeige. Sie wird über einen Treiber mit der seriellen Schnittstelle A6275 kontrolliert. Die serielle Schnittstelle des Treibers ist dem SPI ähnlich, bei dem sowohl Taktsignal als auch Datensignale genutzt werden. Anders als beim SPI wird chip-select nicht genutzt und wird durch die latch Funktion ersetzt. Es ist mit dem ATmega128 wie folgt verbunden:

Aufbau des Verschiebungsindexes des LED Treibers mit den zugehörigen Segmenten der Anzeige.

• Latch-Signal (latch) - PG2
• Taktsignal (clock) - PC7
• Datensignal (data) - PC6

Die Daten werden in Form von Bits über den Datenpin gesendet. Immer, wenn das Taktsignal high wird, wird der Inhalt des Verschiebungsindexes nach rechts geschoben und das Bit vom Datenpin wird in die Zelle ganz links gelesen. So werden 8 Bits in den Verschiebungsindex geladen. Wenn das Latch-Signal high gesetzt wird, wird der Wert des Verschiebungsindexes in den Latch-Index geladen, und verbleibt dort bis zu einem erneuten Laden. Jedes Bit des Latch-Indexes ist durch eine Spannungsschaltung mit einem Segment der Zifferanzeige verbunden. Das Segment leuchtet während die Bitrate high ist.

Zur Darstellung von Ziffern auf der digitalen I/O Modulanzeige des HomeLab sind die folgenden Funktionen in der Bibliothek von HomeLab enthalten:

//
// Einrichtung der Pins
//
static pin segment_display_latch =    PIN(G, 2);
static pin segment_display_data_out = PIN(C, 6);
static pin segment_display_clock =    PIN(C, 7);
 
//
// Markierung der Karte.
// Die Bits markieren Segmente. Ein niedriger Rang wird mit A, ein hoher mit DP gekennzeichnet.
//
static const unsigned char segment_char_map[11] = 
{
	0b00111111,
	0b00000110,
	0b01011011,
	0b01001111,
	0b01100110,
	0b01101101,
	0b01111100,
	0b00000111,
	0b01111111,
	0b01100111,
	0b01111001   // E wie "Error"
};
 
//
// Start der 7-Segment-Anzeige.
//
void segment_display_init(void)
{
	// Set latch, data out and clock pins as output
	pin_setup_output(segment_display_latch);
	pin_setup_output(segment_display_data_out);
	pin_setup_output(segment_display_clock);
}
 
//
// Darstellung einer Ziffer auf der 7-Segment-Anzeige.
//
void segment_display_write(unsigned char digit)
{
	unsigned char map;
	signed char i;
 
	// Überprüfung der Ziffer
	if (digit > 9)
	{
		digit = 10;
	}
 
	// Ziffer wie Segmentkarte.
	map = segment_char_map[digit];
 
	// Latch-Signal aus
	pin_clear(segment_display_latch);
 
	// Senden von he Bits. Höherrangige zuerst.
	for (i = 7; i >= 0; i--)
	{
		// Pin entsprechend Bitwert der Karte setzen.
		pin_set_to(segment_display_data_out, bit_is_set(map, i));
 
		// Taktsignal high setzen.
		pin_set(segment_display_clock);
		_delay_us(1);
 
		// Taktsignal low setzen.
		pin_clear(segment_display_clock);
		_delay_us(1);
	}
 
	// Latch-Signal ein.
	pin_set(segment_display_latch);
}

Um Ziffern und den Buchstaben “E” darzustellen, wird ein konstantes Array segment_char_map erstellt, bei dem das Leuchten von allen acht Segmenten mit Bit 1 und das Ausschalten mit Bit 0 markiert wird. Die Bits markieren von hoch zu niedrig (von links nach rechts in Binärform) Segmente DP, G, F, E, D, C, B, A. Die Kontrollschnittstelle des Treibers wird durch SPI Software realisiert, zum Beispiel durch Nutzung einer Software, die die Datenkommunikationspins des Programms kontrolliert. Alle drei Pins werden durch segment_display_init als Outputs gesetzt. segment_display_write dient der Darstellung der Funktion, welche die Segmentkarte der Markierung vom Array erkennt und diese bitweise zum Treiber überträgt. Die Taktfrequenz mit Softwareverzögerung liegt bei ungefähr 500 kHz.

Das nachfolgende Beispielprogramm beschreibt die Nutzung der Zifferanzeige. Die zuvor beschriebene Funktion der Bibliothek wird in dem Programm erläutert. Das Programm Zählt Ziffern von 0 bis 9 mit einem Intervall von etwa einer Sekunde. Dieses wird dadurch erreicht, dass ein Modul mit einer weitaus größeren Ziffer verwendet wird.

//
// Das Beispielprogramm der 7-Segment-LED-Anzeige des I/O-Moduls des HomeLab
//
#include <homelab/module/segment_display.h>
#include <homelab/delay.h>
 
//
// Hauptprogramm.
//
int main(void)
{
	int counter = 0;
 
	// Einrichtung der 7-Segment-Anzeige.
	segment_display_init();
 
	// Endlosschleife.
	while (true)
	{
		// Anzeige der Werte des Timers.
		segment_display_write(counter % 10);
 
		// Lange zählen.
		counter++;
 
		// Verzögerung von 1 Sekunde.
		sw_delay_ms(1000);
	}
}