以多工掃描的方式驅動七段顯示器，要如何避免殘影現象？

很多人實作多工掃描驅動七段顯示器時都遇過「殘影」的情況，正好最近一個案子用到了多工掃描，順便把文章寫一寫紀錄起來，讓大家之後也能參考。

先來解釋一下「殘影」具體是什麼情況可以看下面這張比較圖，左圖可以看到每個位數有右邊一個位數的殘影；右圖則是多工掃描有處理好 


這個案子客戶的要求不複雜，就是要一個可以1~6 KHz輸出頻率可調的方波產生器，外加斷電記憶的功能，下次復電要能輸出上次調整的頻率。當然，調整到幾KHz還是要讓使用者知道阿，於是我就選擇用四位數七段顯示器。

這次選用了新唐的MG51FB9AE，因為它可以跑在24 MHz，而之前常用的N76S003是16 MHz，兩顆是pin-to-pin相容的。在這邊會需要較高的時脈速度並不是為了運算效能，而是輸出頻率的解析度，因為PWM或Timer輸入頻率越高，輸出的除頻步數就要越多，頻率解析度也會越高。如果對輸出頻率或duty cycle精度有要求的讀者，這就可以列入選型的考量了。


先來簡介一下多工掃描：多工掃描是什麼？

下圖是截自專案的部分電路。圖中有一顆億光ELF-511，是非常標準的四位數共陰極七段顯示器，四個位數的a~g和dot都是在顯示器裡面直接並聯，每個位數的共點（陰極）則是分開的。

每個時間點P0的信號只會讓Q1~Q4其中一顆導通，並在導通的時候從P1送出對應a~g和dot的資料。也就是輪流點亮每一個位數，當輪流的速度快過人眼的視覺暫留，我們看上去就會像是它們一直都亮著一樣。


多工掃描的好處？

如果四位數七段顯示器每一個位數獨立控制的話，共點可以直接接電源，還需要4個a~g和dot，共32支接腳來控制。

多工掃描的話就只需要1個a~g和dot加4條掃描線，只要12支接腳就能控制四位數七段顯示器。

少了十多支接腳在設計上是非常可觀的，無論在BOM cost、電路面積上或是layout難易度都有優勢。想一想，12支腳我用TSSOP20的MG51FB9AE就可以做完，若是32支腳的話得挑到48-pin的MCU才能做了。


韌體的寫法就是建一個陣列u8segments[16]把0~F (0~16, 0x0~0xF)排出來，利用餘數除法在switch case中將數字u32num的個、十、百、千位數分別提取出來，然後利用查表法去查u8segments[]將它們送出到P1； switch case則是根據u8digit來選擇，同時也會將u8digit輸出到當成掃描線信號的P0，而u8digit每次執行都會往左移一位，即0x10 -> 0x20 -> 0x40 -> 0x80，到了0x80以後會再回到0x10重新開始；這麼一來，被點亮的位數就會和switch case提取並輸出到P1的數字同步。我將這個過程包成一個showNum()的函式，然後用一個1 ms的迴圈不斷去call它來完成掃描動作。請對照文章最下面的完整程式碼。


這邊來做個錯誤示範：先切換掃描線再切換資料，發現會有殘影的情況。為什麼呢？要記得，程式執行一定是有先後的，掃描線切換到下一位時，前一個位數的資料還持續在輸出，就會將前一個位數短暫的顯示出來。從程式可以看出我們是從右邊掃到左邊的位數，從實作結果也能觀察出，都有右邊那個位數的「影子」。

  1. void showNum(uint32_t u32num)
  2. {
  3.     static uint8_t u8digit = 0x10;
  4.  
  5.     P0 = u8digit;
  6.  
  7.     switch (u8digit) {
  8.         case 0x10:
  9.             P1 = u8segments[u32num % 10];
  10.             break;
  11.  
  12.         case 0x20:
  13.             P1 = u8segments[u32num / 10 % 10];
  14.             break;
  15.  
  16.         case 0x40:
  17.             P1 = u8segments[u32num / 100 % 10];
  18.             break;
  19.  
  20.         case 0x80:
  21.             P1 = u8segments[u32num / 1000];
  22.             break;
  23.         
  24.         default:
  25.             u8digit = 0x10;
  26.     }
  27.  
  28.     if (u8digit < 0x80)
  29.         u8digit = u8digit << 1;
  30.     else
  31.         u8digit = 0x10;
  32. }

OK那麼原因清楚了，正確的做法就是，切換位數之前要將輸出「短暫關閉」，才不會將前一個位數「短暫顯示」出來。所以在這邊我先將P0 = 0;關閉掃描線的輸出，才把P1改成下一位的數字資料，最後再從P0 = u8digit;把掃描線輸出出去。當然，要讓輸出短暫關閉也可以是關閉資料線。可能的順序如下：

關閉掃描線 > 輸出新資料 > 更新掃描線
關閉資料線 > 更新掃描線 > 輸出新資料

  1. void showNum(uint32_t u32num)
  2. {
  3.     static uint8_t u8digit = 0x10;
  4.  
  5.     P0 = 0;
  6.  
  7.     switch (u8digit) {
  8.         case 0x10:
  9.             P1 = u8segments[u32num % 10];
  10.             break;
  11.  
  12.         case 0x20:
  13.             P1 = u8segments[u32num / 10 % 10];
  14.             break;
  15.  
  16.         case 0x40:
  17.             P1 = u8segments[u32num / 100 % 10];
  18.             break;
  19.  
  20.         case 0x80:
  21.             P1 = u8segments[u32num / 1000];
  22.             break;
  23.         
  24.         default:
  25.             u8digit = 0x10;
  26.     }
  27.  
  28.     P0 = u8digit;
  29.  
  30.     if (u8digit < 0x80)
  31.         u8digit = u8digit << 1;
  32.     else
  33.         u8digit = 0x10;
  34. }

完整程式碼：

  1. #include "numicro_8051.h"
  2.  
  3. __code const uint8_t u8segments[16] = {
  4. //    abcdefg.
  5.     0b11111100, 0b01100000, 0b11011010, 0b11110010, 0b01100110, 0b10110110, 0b00111110, 0b11100000, 
  6.     0b11111110, 0b11100110, 0b11101110, 0b00111110, 0b10011100, 0b01111010, 0b10011110, 0b10001110
  7. };
  8.  
  9. void showNum(uint32_t u32num)
  10. {
  11.     static uint8_t u8digit = 0x10;
  12.  
  13.     P0 = 0;
  14.  
  15.     switch (u8digit) {
  16.         case 0x10:
  17.             P1 = u8segments[u32num % 10];
  18.             break;
  19.  
  20.         case 0x20:
  21.             P1 = u8segments[u32num / 10 % 10];
  22.             break;
  23.  
  24.         case 0x40:
  25.             P1 = u8segments[u32num / 100 % 10];
  26.             break;
  27.  
  28.         case 0x80:
  29.             P1 = u8segments[u32num / 1000];
  30.             break;
  31.         
  32.         default:
  33.             u8digit = 0x10;
  34.     }
  35.  
  36.     P0 = u8digit;
  37.  
  38.     if (u8digit < 0x80)
  39.         u8digit = u8digit << 1;
  40.     else
  41.         u8digit = 0x10;
  42. }
  43.  
  44. void main(void) 
  45. {
  46.     uint32_t u32num = 1234;
  47.  
  48.     TA = 0xAA;
  49.     TA = 0x55;
  50.     CKEN |= 0xC0; // EXTEN
  51.     while(!(CKSWT & 0x08)); // ECLKST
  52.     TA = 0xAA;
  53.     TA = 0x55;
  54.     CKSWT |= 0x02; // Switch to external clock source
  55.     while(CKEN & 0x01); // CKSWTF
  56.     TA = 0xAA;
  57.     TA = 0x55;
  58.     CKEN &= 0xDF; // Disable HIRC
  59.  
  60.     P0M1 &= 0x0F;
  61.     P0M2 |= 0xF0;
  62.     /* P1 as push-pull output mode */
  63.     P1M1 = 0x00;
  64.     P1M2 = 0xFF;
  65.  
  66.     CKCON |= 0x08; // Timer 0 source from Fsys directly
  67.     TH0 = (uint8_t)(41536 >> 8); // 65536 - 24000
  68.     TL0 = (uint8_t)(41536 & 0xFF);
  69.     TMOD |= 0x01; // Timer 0 mode 1
  70.     TCON |= 0x10; // Timer 0 run
  71.  
  72.     while(1)
  73.     {
  74.         showNum(u32num);
  75.  
  76.         /* 1 ms delay */
  77.         while (!(TCON & 0x20)); // Wait until timer 0 overflow
  78.         TH0 = (uint8_t)(41536 >> 8); // 65536 - 24000
  79.         TL0 = (uint8_t)(41536 & 0xFF);
  80.         TCON &= 0xDF; // Clear TF0
  81.     }
  82. }

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