在樹莓派Zero上使用C#+Mono驅動TM1637四位數碼管

最近閑着無聊，買了個樹莓派Zero，准備在上面跑.Net Core，來驅動各種傳感器

 　　就是上面這貨。之前手上已經有一個樹莓派3B+，但是介於3B+已經被我掛在路由器旁邊當做服務器用，不是很方便拿來研究接口，於是就挑了一個便宜的Zero玩玩，事實證明，我想太天真了，我以為只要是Linux系統，就能安裝.net Core，實際上呢，我整了一個晚上才不得不認識到一個事實:即便是.net Core也是認CPU架構的，Pi Zero用的ARMv6就是不支持，哎早知道在買之前多做做功課了，買一個樹莓派4也是個不錯的選擇啊。

幸好蒼天不負有心人，我找到了 另外一個能在Linux上面運行.net的途徑，那就是在Linux上面安裝一個Mono，然后.net通過Mono當做虛擬機運行，其實在原理上和.net core是差不多的，可是Mono在性能上比原生的.net core差了很多便是，不過我們只是用來跑外部模塊，也不是很需要多高性能便是了。

好了，嘮嗑正式結束，讓我們開始正題吧

首先，我們需要在Linux上面配置Mono的程序，講人話就是安裝Mono，不過在安裝之前，我們還需要更改源，畢竟樹莓派自帶的源別指望在國內有好的下載體驗

sudo sed -i 's#://raspbian.raspberrypi.org#s://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian#g' /etc/apt/sources.list
sudo sed -i 's#://archive.raspberrypi.org/debian#s://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberrypi#g' /etc/apt/sources.list.d/raspi.list

運行上述兩條指令，把樹莓派自帶的源替換成清華源，這樣安裝Mono會快很多

sudo apt-get install mono-devel mono-complete mono-dbg

運行上面指令后，在樹莓派Zero上就會自動安裝配置完畢Mono環境了。

對了，為了方便調試，我們還需要配置SSH的遠程root連接

sudo nano /etc/ssh/sshd_config

運行上述指令后

 

 

 找到這一條，然后改成上圖這樣子后(其實也就去掉#，后面的參數改成yes罷了)

完事以后，按Ctrl+X，退出編輯並覆蓋保存就行。

sudo service ssh --full-restart

最后我們運行上述指令重啟SSH服務以后就能夠以root權限登錄樹莓派了。

以上是樹莓派的系統的配置過程。

接下來我們需要配置Visual Studio

首先我們新建一個項目，由於最新的Mono支持.net core，所以我們直接建立.net core 3框架的項目就行，而且甚至不需要拖家帶口帶上.net core那么多運行庫就能直接在Mono虛擬機下跑，簡直了...

然后，我們需要有一個擴展能夠直接在PC上遠程調試樹莓派上的程序，因此

搜索Mono的調試插件，有很多個，功能都差不多，挑一個順手的就行

安裝好Mono調試插件以后

 

 

需要配置下Mono調試插件的設置

 其實主要的無非就是這么幾個，新建一個配置，輸入IP、端口、用戶名和密碼，避免麻煩最好直接上root權限，反正自己用

然后每次調試的時候，點擊通過SSH生成和調試

 

 就能獲得和本地調試一樣的體驗，不得不說，這個體驗實在是太好了。

接下來是項目的

其實也就一點，在Nuget上面找一個第三方的庫來調用GPIO接口就行，沒別的了

Nuget下搜索Raspberry，下面的庫基本上都是關於調用樹莓派gpio的，隨便挑一個便是

我這邊選擇了文檔最為齊全的Unosquare.Raspberry.IO

 

 

 下面兩個是依賴項，尤其是WiringPi，是直接管理接口的主要庫

好，以上是准備工作，下面的是具體實現

 

 

 上面這張圖，對應的就是樹莓派Zero上，一共40個針腳的定義，其中，兩個5V的接口可以直接當做電源輸入或者輸出用，GND是接地這個沒啥好說的，我們主要看GPIO，這里有很多很多GPIO接口，這些接口才是負責信號輸入以及輸出使用，我們控制的主要也是這些接口。

 

 

 然后我們這次的主角也上場了

 

 注意看接線的顏色，其中CLK和DIO代表時鍾信號和數據信號，雖說是時鍾信號，其實是類似於發送命令的接口，因此都接GPIO，VCC是電源，這個沒啥好說的，就是輸入電源(注意看傳感器的電壓，如果電壓過高會燒毀傳感器，所以樹莓派預留了兩個3.3V的電壓接口)，GND是接地，隨便找個接地的接口插上去就行。

 根據照片所示，我使用了4,14,16,18號接口，其中16口接了時鍾信號，18口接了數據信號

好了，線也接好了，環境也配置好了，我們正式開始編程階段

Pi.Init<BootstrapWiringPi>();//初始化通信接口，分配內存空間等
var clkPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio23];//引用16接口
var dataPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio24];//引用18接口
clkPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置16接口模式為輸出
dataPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置18接口模式為輸出

上面代碼是初始化階段，反正剛開頭照這個姿勢填就行了，值得注意的是接口引用部分

你看，我明明CLK接口插的是樹莓派16號物理接口，為啥這里引用的卻是GPIO23呢，其實這個是編碼方式的不同導致的，主要有以下兩種

• BCM

編號側重CPU寄存器，根據BCM2835的GPIO寄存器編號。

• wiringPi

編號側重實現邏輯，把擴展GPIO端口從0開始編號，這種編號方便編程。

 具體使用哪一種，需要看調用庫用的哪一套，因為我用的這個庫使用的是Bcm(引用的時候已經寫明了BcmPin)所以查表得知，16接口對應的GPIO23，18接口對應的GPIO24

接口配置完畢以后我們就可以正式開始驅動四位數碼管了

驅動數碼管實際上是操控TM1637芯片，我們的操作規程需要滿足TM1637芯片的特性，

其中最主要的特性是

 

//數據輸入開始
void startDisp()
{
clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉為高電平
dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO拉為高電平
dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//和上面那句指令一起就是DIO由高變低 
clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//然后CLK上的時鍾信號拉低，DIO接口的數據允許改變，代表開始寫入數據
}

上面這四句執行完后，就表示告訴TM1637芯片，我要開始寫數據了，后面DIO接口的任何電位變化，都是我要寫的數據，下面就是寫數據的過程

//開始寫入數據
void writeByte(byte input)
{
for (int i = 0; i < 8; i++)//每次寫入一個byte，一共8bit
{
　　clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//確保無誤輸入前再拉低一次時鍾 ，代表開始寫入數據
　　if ((input & 0x01) == 1)//判斷每一位的高低電平
　　{
　　　　dataPin.Write(GpioPinValue.High);
　　}
　　else
　　{
　　　　dataPin.Write(GpioPinValue.Low);
　　}
　　input >>= 1;//每寫入完畢一次，移動一位
　　clkPin.Write(GpioPinValue.High);//每次輸入完一位，就拉高一次時鍾
}
//應答信號ACK，這里本來是用來判斷DIO腳是否被自動拉低，代表上面寫入的數據TM1637已經接受到了
//但是我這里閑麻煩，直接將CLK信號低高低的拉，讓芯片直接執行下一步操作
clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低
clkPin.Write(GpioPinValue.High);//需要判斷D是否為低電平此期間C一直拉高
clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//應答完畢以后拉低C
}

 上面執行完以后，我們就已經向芯片發送了一個字節，也就是8位的數據，寫完以后，我們還需要告知芯片，數據傳輸完畢了

//結束條件是CLK為高時，DIO由低電平變為高電平
void stopDisp()
{
clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低CLK，代表允許DIO改變數據
dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//拉低DIO
clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉高，滿足結束條件前半部分
dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO由低變高，代表數據輸入結束
}

好了，上面三段代碼一起執行完畢，就表示一個完整的，信號從准備輸入，開始輸入，結束輸入的過程，每次要輸入1字節，都需要經過以上三個過程，因此我們將上面三個過程分別寫成各自的方法，畢竟是需要經常調用的東西，而且基本上都不會變。以上的代碼實現，都是基於TM1637規格書，就是上面的接口說明實現的。

下面開始介紹該怎么在數碼管上顯示出東西來

在開始之前，我們先仔細看看數碼管是怎么一個樣子的

　　//      A
　　//     ---
　　//  F |   | B
　　//     -G-
　　//  E |   | C
　　//     ---
　　//      D
  　XGFEDCBA
　　00111111,    // 0 //0x3f
　　00000110,    // 1 //0x06
　　01011011,    // 2 //0x5b
　　01001111,    // 3 //0x4f
　　01100110,    // 4 //0x66
　　01101101,    // 5 //0x6d
　　01111101,    // 6 //0x7d
　　00000111,    // 7 //0x07
　　01111111,    // 8 //0x7f
　　01101111,    // 9 //0x6f
　　01110111,    // A //0x77
　　01111100,    // b //0x7C
　　00111001,    // C //0X39
　　01011110,    // d //0X5E
　　01111001,    // E //0X79
　　01110001     // F //0X71

上圖展示了數碼管，一個字樣的顯示方式，跟我們寫漢字一樣，一共准備了7個筆畫，我們想讓哪個筆畫亮起來，就讓那個筆畫的電平拉高就行，總的來說還是挺直觀的，因為我們只有7個筆畫，但是一個比特有8位，所有還有一位空置為低電平，如果有其他用處的話，可以補上()。於是我們把這些二進制，通過計算器換算成16進制的話就變成了0x3F樣式的字節碼

static byte[] Characters = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//0~9,A,b,C,d,E,F            

當然，也可以自己任意根據上面的描述，編寫想要的走線圖案，不一定非要按照0到9的數字或者字母定式來寫。 

//設置基本參數 
startDisp();//開始寫入指令
writeByte(0x40);//指定功能參數
stopDisp();//結束寫入指令

//設置顯示地址以及顯示內容
startDisp();
writeByte(0xC0);//設置首地址，指向第一個字符
var Date = DateTime.Now.ToString("hhmm").ToCharArray();//獲得當前日期，並表示為小時分鍾
byte[] Characters = { 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71 };//0~9,A,b,C,d,E,F            
for (int i = 0; i <4; i++)//循環更改四個字符的顯示，想更改數碼管的顯示，只要更改循環體內的操作就行
{
　　if (i != 1) writeByte(Characters[Date[i] - 48]);//從Characters數組根據索引獲得字符顯示的編碼
　　else writeByte((byte)(Characters[Date[1] - 48] + 0x80));//第二個字符帶有冒號，因此將第一位空置拉高
}
stopDisp();

//開始寫入亮度
startDisp();
writeByte(0x8f);
stopDisp(); 

 以上代碼便是驅動數碼管顯示的完整代碼，循環運行上述代碼就能不斷驅動數碼管顯示當前的時間，同時更改循環體內的writeByte()方法參數，就能實現不同字符的顯示。startDisp();stopDisp(); writeByte();方法體，都在上面有完全的展示。

除去上述三個方法，

writeByte(0x40);//指定功能參數

writeByte(0xC0);//設置首地址，指向第一個字符

writeByte((byte)(Characters[Date[1] - 48] + 0x80));//顯示 ：符號，這三個參數需要單獨講一下。

writeByte(0x8f);//指定亮度

首先，上述代碼的先后順序不能變，一定是先指定功能參數，后指定顯示位置，然后指定顯示內容，最后指定顯示亮度

而功能參數0x40寫入進去有啥用呢

我們查閱TM1637的規格書可知

 

 

 0x40翻譯成二進制便是

 0 | 1  | 0 | 0 |  0 | 0 | 0 |  0
B7|B6|B5|B4|B3|B2|B1|B0

根據上述表格我們可以知道01000000（0X40）所代表的的意思就是

1:數據寫到顯示寄存器，也就是功能是顯示

2:地址的增加模式是自+1

3:測試模式為普通模式

在此介紹一下前兩種的區別

第一條的意思就是，這個芯片是支持按鍵響應和屏幕輸出的，也就是說，如果B1置1則芯片功能是讀取按鈕 (雖然數位管上並沒有任何按鍵)，B1置0就是顯示輸出模式

第二條的意思就是，

for (int i = 0; i <4; i++)//循環更改四個字符的顯示，想更改數碼管的顯示，只要更改循環體內的操作就行
{
　　writeByte(Characters[Date[i] - 48]);//從Characters數組根據索引獲得字符顯示的編碼
}

如果B2置0，功能為自動地址增加模式，那么循環體內每次循環寫入一個字符以后，下一次循環光標位置就會移到下一個字符的位置，就和我們打字類似

那么如果B2置1，功能為固定地址模式的話，顧名思義，就是哪個位置顯示什么字符串由我們決定。

那么顯示代碼就變成了

　　startDisp();
　　writeByte(0xC0);//第一個字符
　　writeByte(Characters[Date[0] - 48]);
　　stopDisp();

　　startDisp();
　　writeByte(0xC1);//第二個字符
　　writeByte(Characters[Date[1] - 48]);
　　stopDisp();

　　startDisp();
　　writeByte(0xC2);//第三個字符
　　writeByte(Characters[Date[2] - 48]);
　　stopDisp();

　　startDisp();
　　writeByte(0xC3);//第四個字符
　　writeByte(Characters[Date[3] - 48]);
　　stopDisp();

那么這個0xC0,0xC1,0xC2,0xC3哪里來的呢，同樣查閱規格書可知

 

 就是11000000,11000001,11000010,11000011,上述幾個二進制轉換成16進制便是C0,C1,C2,C3，當然，該芯片最多可支持顯示6個字符

  對了，中間這個  ： 的符號，並不占用一個字符顯示，這個符號歸類到0xC1地址內，被當成了一個標點使用

  　XGFEDCBA
　　00111111,    // 0 //0x3f

還記得上面那張圖吧，A~G，分別表示7個筆畫，但是多了一位閑置的在這里就派上用場了，只要把0xC1，也就是第二個字符的位置最高位置1，變成10111111，那么這個符號變會顯示出來

writeByte((byte)(Characters[Date[1] - 48] + 0x80));

代碼上就是在原先的基礎上加上0x80就可以了。

上面的步奏全部完成以后，其實只是把需要顯示的數據存到芯片里面而已，芯片還沒有輸出任何數據給數碼管，因為我們還什么都看不到

所以我們還需要再輸入一次命令

writeByte(0x8f);//指定亮度並顯示

那這個 0x8f又是哪里來的呢

 

 

這里同樣有一張表格，B3表示開關，B0~B2表示脈沖寬帶pwm，脈沖寬度越長，代表輸出給數碼管的時間越長，也就越亮，參照之前的方法，把對應的8位二進制轉換成16進制填入進去就行，我想都看到這里了，應該沒啥疑問的。

好，上述就是完整的教程，下面貼完整代碼

        private static void Main(string[] args)
        {
            Pi.Init<BootstrapWiringPi>();//初始化通信接口，分配內存空間等
            var clkPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio23];//引用16接口
            var dataPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio24];//引用18接口
            clkPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置16接口模式為輸出
            dataPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置18接口模式為輸出
            clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//初始化電平為低,可不加
            dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//初始化電平為低,可不加

            void startDisp()
            {
                //數據輸入開始
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉為高電平
                dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO拉為高電平
                dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//和上面那句指令一起就是DIO由高變低
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//然后CLK上的時鍾信號拉低，DIO接口的數據允許改變，代表開始寫入數據
            }
            void stopDisp()
            {
                //結束條件是CLK為高時，DIO由低電平變為高電平
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低CLK，代表允許DIO改變數據
                dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//拉低DIO
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉高，滿足結束條件前半部分
                dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO由低變高，代表數據輸入結束
            }
            void writeByte(byte input)
            {
                //開始寫入數據
                for (int i = 0; i < 8; i++)//每次寫入一個byte，一共8bit
                {
                    clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//確保無誤輸入前再拉低一次時鍾 ，代表開始寫入數據
                    if ((input & 0x01) == 1)//判斷每一位的高低電平
                    {
                        dataPin.Write(GpioPinValue.High);
                    }
                    else
                    {
                        dataPin.Write(GpioPinValue.Low);
                    }
                    input >>= 1;//每寫入完畢一次，移動一位
                    clkPin.Write(GpioPinValue.High);//每次輸入完一位，就拉高一次時鍾
                }
                //應答信號ACK，這里本來是用來判斷DIO腳是否被自動拉低，代表上面寫入的數據TM1637已經接受到了，
                //但是我們這里閑麻煩，直接將CLK信號低高低的拉，讓芯片直接執行下一步操作
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//需要判斷D是否為低電平此期間C一直拉高
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//應答完畢以后拉低C
            }
            void Show()
            {
                //設置基本參數
                startDisp();//開始寫入指令
                writeByte(0x40);//指定功能參數為自動增加
                stopDisp();//結束寫入指令

                //設置顯示地址以及顯示內容
                startDisp();
                writeByte(0xC0);//設置首地址，指向第一個字符
                var Date = DateTime.Now.ToString("hhmm").ToCharArray();//獲得當前日期，並表示為小時分鍾
                byte[] Characters = { 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71 };//0~9,A,b,C,d,E,F
                for (int i = 0; i < Date.Length; i++)
                {
                    if (i != 1) writeByte(Characters[Date[i] - 48]);//從Characters數組根據索引獲得字符顯示的編碼
                    else writeByte((byte)(Characters[Date[1] - 48] + 0x80));//第二個字符帶有冒號，因此將第一位空置拉高
                }

                //開始寫入亮度
                startDisp();
                writeByte(0x8f);
                stopDisp();
            }
            while (true)
            {
                Show();
            } 
        }

以上是字符地址自增加的代碼

        private static void Main(string[] args)
        {
            Pi.Init<BootstrapWiringPi>();//初始化通信接口，分配內存空間等
            var clkPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio23];//引用16接口
            var dataPin = Pi.Gpio[BcmPin.Gpio24];//引用18接口
            clkPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置16接口模式為輸出
            dataPin.PinMode = GpioPinDriveMode.Output;//設置18接口模式為輸出
            clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//初始化電平為低,可不加
            dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//初始化電平為低,可不加

            void startDisp()
            {
                //數據輸入開始
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉為高電平
                dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO拉為高電平
                dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//和上面那句指令一起就是DIO由高變低
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//然后CLK上的時鍾信號拉低，DIO接口的數據允許改變，代表開始寫入數據
            }
            void stopDisp()
            {
                //結束條件是CLK為高時，DIO由低電平變為高電平
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低CLK，代表允許DIO改變數據
                dataPin.Write(GpioPinValue.Low);//拉低DIO
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//CLK拉高，滿足結束條件前半部分
                dataPin.Write(GpioPinValue.High);//DIO由低變高，代表數據輸入結束
            }
            void writeByte(byte input)
            {
                //開始寫入數據
                for (int i = 0; i < 8; i++)//每次寫入一個byte，一共8bit
                {
                    clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//確保無誤輸入前再拉低一次時鍾 ，代表開始寫入數據
                    if ((input & 0x01) == 1)//判斷每一位的高低電平
                    {
                        dataPin.Write(GpioPinValue.High);
                    }
                    else
                    {
                        dataPin.Write(GpioPinValue.Low);
                    }
                    input >>= 1;//每寫入完畢一次，移動一位
                    clkPin.Write(GpioPinValue.High);//每次輸入完一位，就拉高一次時鍾
                }
                //應答信號ACK，這里本來是用來判斷DIO腳是否被自動拉低，代表上面寫入的數據TM1637已經接受到了，
                //但是我們這里閑麻煩，直接將CLK信號低高低的拉，讓芯片直接執行下一步操作
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//先拉低
                clkPin.Write(GpioPinValue.High);//需要判斷D是否為低電平此期間C一直拉高
                clkPin.Write(GpioPinValue.Low);//應答完畢以后拉低C
            }
            void Show()
            {
                //設置基本參數
                startDisp();//開始寫入指令
                writeByte(0x44);//指定功能參數為固定地址顯示
                stopDisp();//結束寫入指令

                var Date = DateTime.Now.ToString("hhmm").ToCharArray();//獲得當前日期，並表示為小時分鍾
                byte[] Characters = { 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71 };//0~9,A,b,C,d,E,F
                //設置顯示地址以及顯示內容
                startDisp();
                writeByte(0xC0);//第一個字符
                writeByte(Characters[Date[0] - 48]);
                stopDisp();

                startDisp();
                writeByte(0xC1);//第二個字符
                writeByte((byte)(Characters[Date[1] - 48] + 0x80));//第二個字符帶有冒號，因此將第一位空置拉高
                stopDisp();

                startDisp();
                writeByte(0xC2);//第三個字符
                writeByte(Characters[Date[2] - 48]);
                stopDisp();

                startDisp();
                writeByte(0xC3);//第四個字符
                writeByte(Characters[Date[3] - 48]);
                stopDisp();

                //開始寫入亮度
                startDisp();
                writeByte(0x8f);
                stopDisp();
            }
            while (true)
            {
                Show();
            } 
        }

以上是固定字符顯示代碼

對於.net core的項目來說，如果想使用Mono運行，那么命令是

 

 執行mono xxxx.dll的方式，如果是普通的.net4.0框架的程序才是mono xxxx.exe的方式