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1. 占用大量的 GPIO 接口，例如驱动一个八位数码管需要占用 8 个 GPIO 接口，如果要驱动两个就要占用 16 个 GPIO 接口。

2.系统资源占用过多。还是在上一篇文章里，为了实现数码管的动态扫描显示，需要不停地高速操作IO口，这对单任务的单片机比如51单片机来说问题并不太大，因为单任务的单片机的执行时序是由晶振来决定的，动态扫描的时间间隔可以控制地非常精确，数码管的显示会很稳定，不会出现闪烁的现象。但对于运行着多任务的Linux操作系统的树莓派来说，对IO口的大量反复操作以及大量使用sleep语句会导致CPU占用过多，最后导致动态扫描的间隔时间不均匀，体现为数码管显示不稳定，有明显闪烁的现象。

使用GPIO直接驱动数码管时，上面这两个问题是不可避免的。想解决这两个问题，我们需要借助外部芯片来解决问题。

这一篇文章中，我们使用一款 SPI 数码管，模块使用了显示驱动芯片 74HC595 来驱动数码管的方法。

一. 实验硬件

2. 杜邦线 * 若干

二. 硬件接线

QQ图片20160313202836.png (47.56 KB, 下载次数: 4)

2016-3-13 20:41 上传

(1)SPI 模块 D(DATA / 74HC595 DS 引脚)连接树莓派 GPIO15 引脚

(2)SPI 模块 L (LATCH / 74HC595 STCP 引脚)连接树莓派 GPIO14 引脚

(3)SPI 模块 C (CLOCK / 74HC595 SHCP 引脚)连接树莓派 GPIO18 引脚

(4)SPI 模块 + (电源正)连接树莓派 VCC(+5V)

(5)SPI 模块 - (电源负)连接树莓派 GND

QQ图片20160313201020.png (227.93 KB, 下载次数: 5)

2016-3-13 20:41 上传

三. 芯片简介

首先，看一下 74HC595 的芯片引脚图

QQ图片20160313202103.png (64.32 KB, 下载次数: 5)

2016-3-13 20:44 上传

引脚介绍：

(1)GND接地，VCC接5V电源

(2)Q0-Q7 这8根引脚是芯片的输出引脚，直接跟数码管的8段引脚相连。

(3)DS是串行输入引脚，所谓串行就是使数据在一根信号线上按顺序一位一位地传输。

(4)SHCP是移位寄存器的时钟引脚。74HC595 内部有一个 8 位的移位寄存器用来保存从 DS 引脚输入的数据。那么 74HC595 怎么知道什么时候该从 DS 引脚上取数据了呢？正是通过SHCP 这个时钟引脚来实现的。只有在 SHCP 发生一次上升沿的时候，74HC595 才会从 DS 引脚上取得当前的数据(高/低电平)并把取到的这一位数据保存到移位寄存器里。同样的这个引脚也接到树莓派任意一个 GPIO 口上。当我们向芯片发送数据时，要先在DS引脚上准备好要传送的数据，然后制造一次 SHCP 引脚的上升沿(先拉低电平再拉高电平)，74HC595 会在这个上升沿将 DS 引脚上的数据存入移位寄存器 D0，同时 D0 原来的数据会顺移到 D1，D1 的数据位移到 D2。。。D6 的数据位移到 D7。而原先 D7 的数据已经没有地方储存了，这一位数据会被输出到引脚Q7S上。

(5)STCP 是芯片内部另外一个 8 位锁存寄存器的时钟引脚。当移位寄存器的 8 位数据全部传输完毕后，制造一次锁存器时钟引脚的上升沿(先拉低电平再拉高电平)。74HC595会在这个上升沿将移位寄存器里的8位数据复制到锁存器中(锁存器里原来的数据将被替换)。注意，到这里为止，这8位数据还只是被保存在锁存器里，并没有输出到数码管上。这个引脚同样连接到树莓派任意一个GPIO口上即可。

(6)OE 是输出使能引脚，作用是控制锁存器里的数据是否最终输出到 Q0-Q7 输出引脚上。低电平时输出，高电平时不输出(既不是高电平，也不是低电平而是高阻态，不通电)。

(7)MR是用来重置内部寄存器的引脚。低电平时重置内部寄存器。

(8)Q7S引脚，串行输出引脚，将Q7S引脚连接上另一块74HC595的DS引脚并保证两块芯片上的移位时钟的上升沿同时发生(将两块芯片的SHCP连在一起即可)的话，第一块74HC595的串行输出引脚Q7S就变成了第二块74HC595的串行输入数据源。Q7S上的数据会继续移位到第二块74HC595芯片的移位寄存器D0里(同样的，D0→D1→D2→…→D6→D7→Q7S)。

关于锁存器。就是将数据保存并锁定。一旦进入了锁存器，除非断电或重置数据(MR 口设置为低电平)，锁存器的数据不会再改变。好处是，当你需要更新数据时，将数据串行输入移位寄存器的过程中，锁存器里的数据不会有任何影响，也就不会有闪烁了。一直到移位寄存器8位数据准备完毕，再制造一次STCP的上升沿一次性更新锁存器的数据，更新输出。

四. 实验代码

import RPi.GPIO

import time

# 串行数据输入引脚连接的GPIO口

DS = 15

# 移位寄存器时钟控制引脚连接的GPIO口——上升沿有效

SHCP = 18

# 数据锁存器时钟控制引脚连接的GPIO口——上升沿有效

STCP = 14

RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)

RPi.GPIO.setup(DS, RPi.GPIO.OUT)

RPi.GPIO.setup(STCP, RPi.GPIO.OUT)

RPi.GPIO.setup(SHCP, RPi.GPIO.OUT)

RPi.GPIO.output(STCP, False)

RPi.GPIO.output(SHCP, False)

# 通过串行数据引脚向74HC595的传送一位数据

def setBitData(data):

# 准备好要传送的数据

RPi.GPIO.output(DS, data)

# 制造一次移位寄存器时钟引脚的上升沿(先拉低电平再拉高电平)

# 74HC595会在这个上升沿将DS引脚上的数据存入移位寄存器D0

# 同时D0原来的数据会顺移到D1，D1的数据位移到D2。。。D6的数据位移到D7

# 而D7的数据已经没有地方储存了，这一位数据会被输出到引脚Q7S上

# 如果Q7S引脚没有被使用，那么这一位的数据就被丢掉了。

# 而如果将Q7S引脚连接到另一块74HC595上的DS引脚，

# 那么这一位数据就会继续位移到第二块595芯片的位移寄存器里去。

# 这就是多块595芯片级联的原理。

RPi.GPIO.output(SHCP, False)

RPi.GPIO.output(SHCP, True)

# 指定数码管显示数字num(0-9)，第2个参数是显示不显示小数点(true/false)

# 由于我使用的数码管是共阳数码管，所以设置为低电平的段才会被点亮

# 如果你用的是共阴数码管，那么要将下面的True和False全部颠倒过来，或者统一在前面加上not

def showDigit(num, showDotPoint):

if (num == 0) :

setBitData(not showDotPoint) # DP

setBitData(True)  # G

setBitData(False) # F

setBitData(False) # E

setBitData(False) # D

setBitData(False) # C

setBitData(False) # B

setBitData(False) # A

elif (num == 1) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

elif (num == 2) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

elif (num == 3) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

elif (num == 4) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

elif (num == 5) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

elif (num == 6) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

elif (num == 7) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

elif (num == 8) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

elif (num == 9) :

setBitData(not showDotPoint)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(True)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

setBitData(False)

# 移位寄存器的8位数据全部传输完毕后，制造一次锁存器时钟引脚的上升沿(先拉低电平再拉高电平)

# 74HC595会在这个上升沿将移位寄存器里的8位数据复制到8位的锁存器中(锁存器里原来的数据将被替换)

# 到这里为止，这8位数据还只是被保存在锁存器里，并没有输出到数码管上。

# 决定锁存器里的数据是否输出是由“输出使能端口”OE决定的。当OE设置为低电平时，锁存器里数据才会被输出到Q0-Q7这8个输出引脚上。

# 在我的硬件连接里，OE直接连接在了GND上，总是保持低电平，所以移位寄存器的数据一旦通过时钟上升沿进入锁存器，也就相当于输出到LED上了。

RPi.GPIO.output(STCP, True)

RPi.GPIO.output(STCP, False)

try:

# 测试代码

# 从1显示到8，不显示小数点

for x in range(0,9):

showDigit(x, False)

time.sleep(0.002)

# 再从1显示到8，显示小数点

for y in range(0,9):

showDigit(y, True)

time.sleep(0.002)

except KeyboardInterrupt:

pass

# 最后清理GPIO口

# 清理了IO是将所有使用中的IO口释放，并全部设置为输入模式

# 你会发现最后设置的数据在清理了IO口以后还会继续正常显示

# 这是因为数据一旦存入锁存器，除非断电或重置数据(MR口设置为低电平)，

# 否则最后设置的数据会一直保留在74HC595芯片中。也就是被“锁存”了。

RPi.GPIO.cleanup()

复制代码五. 实验效果

将代码输入到树莓派控制器，或者直接下载附件中的 Python 程序，在树莓派中使用以下语句执行：

sudo python 7.py复制代码正确连线并执行程序后，SPI 数码管上会显示出 1 - 8 的数字。

六. 附件

7.py

(4.96 KB, 下载次数: 7)

2016-3-13 21:01 上传

点击文件名下载附件