一、简介

TM1638是深圳市天微电子有限公司设计的一款带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用芯片，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。主要应用于冰箱、空调 、家庭影院等产品的高段位显示屏驱动。
器件手册：TM1638芯片手册

器件特性

• 采用功率CMOS 工艺，串行接口（CLK，STB，DIO）
• 显示模式 10 段×8 位
• 键扫描（8×3bit）
• 8级辉度可调，内置上电复位电路
• 振荡方式：RC 振荡（450KHz+5%）

引脚功能说明

• STB：片选端；在上升或下降沿初始化串行接口，随后等待接收指令。当STB 为高时，CLK被忽略
• DIO：数据端；在时钟上升沿输入/输出串行数据
• CLK：时钟端；输入时钟信号
• K1~K3：键扫输入；输入该脚的数据在显示周期结束后被锁存。
• SEG1/KS1~SEG8/KS8：段输出；P管开漏输出，也用作键扫描
• SEG9,SEG10：段输出；P管开漏输出
• GRID1~GRID8：位输出；N管开漏输出

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二、TM1638地址组

1.显存地址中，如果GRIDn和SEGn对应的地址里数据为1，则连接到GRIDn和SEGn上的LED段落将会被点亮。 例如00H的数据为0X0F，则连到GIRD1和SEG1、SEG2、SEG3、SEG4上的LED段落将会被点亮。

2.每个Byte里储存6个键值数据，相对应的位置为1则代表对应位置有键按下。

3.指令分类
TM1638通过传送的8位指令的B7,B6两位来区分指令类型：

B7 B6	指令类型
0 1	数据命令
1 1	地址命令
1 0	显示控制命令

4.地址命令用来设置要写入的数据的地址。数据写入有自增址和固定址两种，固定址每次写入数据需要指定要写入数据的地址。

显示控制命令主要是用来设置LED的亮度，以及显示开关。

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三、TM1638的两种数码管使用方式

TM1638的一个优点是：不区分共阴/共阳，两种数码管都可以使用，但是使用方法有所不同。
  这里涉及到TM1638的显示原理：TM1638的GRIDn端是始终保持低电平的，当显存地址里对应的数据为1时，TM1638令与其对应的SEGn端为高电平来使LED导通发光。

（1）共阴方式
  共阴数码管使用同一个阴极和多个阳极，因为GRID始终为低电平，所以只能由1个GRIDn端作为共阴极，而8个SEG端作为阳极。在这里插入图片描述
  

这时每个数码管的显示数据由8个SEGn对应1个GRIDn端组成，由显存地址关系图可知每个非奇数地址便储存着1个数码管的显示数据。
  共阴数码管的显存数据写入比共阳方便很多，只用向一个地址写入8位数据即可。例如GRID1和SEG1~SEG8对应共阴LED1，要让其显示 0 则只用向 00H 地址写入 0X3F;

  共阴方式的不足则是无法使用SEG9和SEG10来组成共阴数码管，所以共阴方式最多可以使用8个数码管。多余的SEG9和SEG10仍可以使用，但必须采用共阳方式。

（2）共阳方式
  共阴数码管使用同一个阳极和多个阴极，因为GRID始终为低电平，所以只能由8个GRIDn端作为阴极，1个SEG端作为共阳极。
  

这时每个数码管的显示数据由8个GRIDn对应1个SEGn端组成，由显存地址关系图可知：由8个偶数/奇数地址的共同一位组成一个数码管的8位显示数据。
  共阳数码管的数据写入比较麻烦，每为一个数码管写入一次数据都要向8个地址分别写入1位数据。例如GRID1~GRID8和SEG1对应共阴LED1，要让其显示0则要00H,02H,04H,06H,08H,0AH都写入1，向0CH和0EH中写入0
  
  共阳方式的优点是可以使用多至10个数码管；缺点啧是数据的写入方式比较繁琐，并且需要额外增加数据转换。

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四、TM1638数据格式

• TM1638的数据读取和发送都在CLK的上升沿进行，因为DIO在时钟的下降沿控制N管动作，此时读数不稳定。
• TM1638采取低位在前的数据格式，每次发送和读取都是1byte长度，即8位二进制数据
• 每次STB拉低之后的第一个字节作为指令，处理指令时当前其它处理被终止。

串行数据传输格式

自增址模式下，只用写入一次地址即首地址，之后依次写入数据，每次写入数据，地址自动增加0X01。数据全部写入之后，上拉STB来作为结束的信号。

固定址模式下，每次写入数据需要先写入一次地址，为要写入的数据指定写入的地址，之后写入数据，然后上拉STB结束一次写入。

读数据以拉低STB写入读键值指令（0X42）作为开始，之后TM1638会依次按从低到高的顺序传送4byte的键值数据。读取4byte数据之后上拉STB结束读取。

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五、按键扫描和键扫复用

按键扫描电路
  电路的连接方式如下图，Kn端作为列线，KSn端作为行线，当有键按下被扫描到，数据被存入键值寄存器。

按键扫描时在端口上的波形：

按键复用
  SEG1/KS1~SEG8/KS8是复用的端口，作为显示输出同时作为键扫输出端口。当存在按钮同时按下时，如S1,S2，SEG1和SEG2相当于被短路，此时D1,2D两个LED都会被点亮，从而造成显示错误。
  解决方法之一是在每个按键上串联一个二极管，如下图所示，也可以换成510Ω大小的电阻。
  

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六、完整代码

1.tm1638.c

/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2024-05-09     IBM       the first version
 */
#include "tm1638.h"
#include "gpio.h"

/*=====================================================### 全局变量定义 ####=================================================*/
uint8_t  segmented[10] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f};       // 段码值
uint16_t buffer[8] = {0};            // 数据缓冲器
uint8_t  sendData[16] = {0};         // 发送数据缓冲区
/*=====================================================#######  END  #######=================================================*/

/*=====================================================### 静态函数调用 ###==================================================*/
/**
 * @brief TM1638发送数据
 * @param DATA：数据
 */
static void TM1638_Write(uint8_t DATA)
{
    uint8_t i;

    for (i = 0; i < 8; i++)     // 1Byte 8位数据
    {
        TM1638_CLK_LOW;         // 拉低时钟线

        if (DATA & 0x01)        // 发送数据
        {
            TM1638_DIO_HIGH;
        }
        else
        {
            TM1638_DIO_LOW;
        }

        DATA >>= 1;             // 数据格式:低位在前
        TM1638_CLK_HIGH;        // 拉高时钟线,写入数据
    }
}

/**
 * @brief TM1638发送命令
 * @param cmd
 */
static void TM1638_WriteCOM(uint8_t cmd)
{
    TM1638_STB_LOW;             // 拉低片选线
    TM1638_Write(cmd);          // 写命令
    TM1638_STB_HIGH;            // 拉高片选线
}

/**
 * @brief 单个数码管显示值
 * @param lednum ：数码管编号 1 - 9
 * @param value  ：显示的值 0 - 9
 * @param decimal：是否带小数点  0 - 不带  1 - 带
 */
static void LED_Display_value(uint8_t lednum, uint8_t value, uint8_t decimal)
{
    uint8_t i;

    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        if (segmented[value] & (0x01 << i))
        {
            buffer[i] |= (0x01 << (lednum - 1));
        }
    }

    if (decimal == 1)
    {
        buffer[7] |= (0x01 << (lednum - 1));
    }
}

/**
 * @brief u16数据转成u8数据
 */
static void Data_U16_To_U8(void)
{
    for (int i = 0; i < 16; i += 2)
    {
        sendData[i] = buffer[i / 2];
        sendData[i + 1] = buffer[i / 2] >> 8;
    }
}

/**
 * @brief 发送数据到数码管
 */
static void Send_Data_To_LED(void)
{
    TM1638_STB_LOW;                          // 拉低片选线,开始写数据
    TM1638_Write(REG_FIRST_ADDR);            // 写首地址
    for (int i = 0; i < 16; ++i)             // 发数据
    {
        TM1638_Write(sendData[i]);
    }
    TM1638_STB_HIGH;
}

/**
 * @brief 关闭LED数码管显示
 */
static void LED_Close_Display(void)
{
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    Data_U16_To_U8();
    Send_Data_To_LED();
}
/*=====================================================#######  END  #######=================================================*/

/*=====================================================##### 外部调用 #####==================================================*/
/**
 * @brief TM1638初始化设置
 */
void TM1638_Init(void)
{
    TM1638_WriteCOM(DATA_CMD_ADDR);          // 设置地址自增
    TM1638_WriteCOM(LED_DISPLAY_ADDR);       // LED亮度设置
}

/**
 * @brief LED数码管显示
 * @param pwr: 输出功率
 * @param pt ：输出脉宽
 * @param it ：输出时间间隔
 */
void LED_Display_Value(uint16_t pwr, uint16_t pt, uint16_t it)
{
    LED_Close_Display();
    LED_Display_value(1, pwr / 100, 0);
    LED_Display_value(2, pwr % 100 / 10, 0);
    LED_Display_value(3, pwr % 10, 0);
    LED_Display_value(4, pt / 100, 0);
    LED_Display_value(5, pt % 100 / 10, 0);
    LED_Display_value(6, pt % 10, 0);
    LED_Display_value(7, it / 100, 0);
    LED_Display_value(8, it % 100 / 10, 0);
    LED_Display_value(9, it % 10, 0);

    Data_U16_To_U8();       // u16数据转成u8数据
    Send_Data_To_LED();     // 发送数据到数码管
}

/**
 * @brief 测试demo程序
 */
void Test_Demo(void)
{
    LED_Close_Display();
    LED_Display_value(1, 1, 1);
    LED_Display_value(2, 2, 1);
    LED_Display_value(3, 3, 1);
    LED_Display_value(4, 4, 1);
    LED_Display_value(5, 5, 1);
    LED_Display_value(6, 6, 1);
    LED_Display_value(7, 7, 1);
    LED_Display_value(8, 8, 1);
    LED_Display_value(9, 9, 1);

    Data_U16_To_U8();       // u16数据转成u8数据
    Send_Data_To_LED();     // 发送数据到数码管

    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        printf("buffer[%d]: 0x%x\n", i, buffer[i]);
    }

    for (int i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("sendData[%d]: 0x%x\n", i, sendData[i]);
    }
}
/*=====================================================#######  END  #######=================================================*/

2.tm1638.h

/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2024-05-09     IBM       the first version
 */
#ifndef APPLICATIONS_HARDWARE_INC_TM1638_H_
#define APPLICATIONS_HARDWARE_INC_TM1638_H_

#include <rtthread.h>
#include <drv_common.h>
#include <string.h>

/**====================================================###### 宏定义 ######==================================================*/
#define DATA_CMD_ADDR           0x40               // 写数据、地址自增、普通模式
#define REG_FIRST_ADDR          0xc0               // 寄存器首地址
#define LED_DISPLAY_ADDR        0x8F               // 显示开、亮度8级
#define LED_CLOSE_ADDR          0x80               // 显示关、亮度0级

#define TM1638_STB_HIGH         rt_pin_write(TM1638_STB, SET);      // 片选引脚拉高
#define TM1638_STB_LOW          rt_pin_write(TM1638_STB, RESET);    // 片选引脚拉低
#define TM1638_CLK_HIGH         rt_pin_write(TM1638_CLK, SET);      // 时钟引脚拉高
#define TM1638_CLK_LOW          rt_pin_write(TM1638_CLK, RESET);    // 时钟引脚拉低
#define TM1638_DIO_HIGH         rt_pin_write(TM1638_DIO, SET);      // 数据引脚拉高
#define TM1638_DIO_LOW          rt_pin_write(TM1638_DIO, RESET);    // 数据引脚拉低
/**====================================================#######  END  #######=================================================*/

/**=================================================##### 函数及变量声明 #####===============================================*/
extern void TM1638_Init(void);                                                  // TM1638初始化设置
extern void LED_Display_Value(uint16_t pwr, uint16_t pt, uint16_t it);          // LED数码管显示
extern void Test_Demo(void);                                                    // 测试demo程序
/**====================================================#######  END  #######=================================================*/

#endif /* APPLICATIONS_HARDWARE_INC_TM1638_H_ */

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