大家好，通過(guò)前幾期文章的介紹，我們已經(jīng)對(duì)機(jī)器人的大腦、五官、神經(jīng)中樞和心臟有了大致的了解。在 《機(jī)器人的神經(jīng)中樞（擴(kuò)展板類(lèi)）》一文的“功能整合型擴(kuò)展板”中也介紹了一些顯示類(lèi)擴(kuò)展板，本期再為大家細(xì)致講解顯示模塊，這些顯示模塊構(gòu)成了機(jī)器人的“表情”。說(shuō)到顯示模塊，大家可能最先聯(lián)想到計(jì)算機(jī)顯示器。顯示器是計(jì)算機(jī)的I/O 設(shè)備也就輸入/ 輸出設(shè)備，它是一種將電子文件通過(guò)特定的傳輸設(shè)備顯示到屏幕上的工具。類(lèi)似于計(jì)算機(jī)顯示器的定義，本文介紹的機(jī)器人顯示模塊是指將控制器發(fā)出的特定信號(hào)轉(zhuǎn)換為光影、數(shù)字、圖形圖像的設(shè)備。從數(shù)碼管顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字，到LED 點(diǎn)陣及LCD 顯示豐富的字符、圖像，再到現(xiàn)在非常流行的電紙書(shū)等，顯示模塊種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)在我們就針對(duì)當(dāng)下流行的幾款顯示模塊進(jìn)行介紹，其中包括數(shù)碼管、LED 點(diǎn)陣、RGB LED 點(diǎn)陣、LCD、電子紙以及發(fā)光線。

數(shù)碼管

       我們學(xué)習(xí)研究Arduino、樹(shù)莓派或者其他控制器時(shí)，一般最先進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是點(diǎn)亮LED。在數(shù)字邏輯中，單個(gè)LED 只能控制亮或滅，對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)的只是1 和0 兩種狀態(tài)，表達(dá)的信息十分有限。但將8 個(gè)LED 按照一定順序排列、呈“8”字形封裝在一起，便組成了常見(jiàn)的LED 數(shù)碼管。組成“8”字形的每一個(gè)LED，我們稱之為“段”，一般而言，數(shù)碼管按段數(shù)可分為7 段數(shù)碼管和8 段數(shù)碼管，一段對(duì)應(yīng)著一個(gè)LED，8 段數(shù)碼管比7 段數(shù)碼管多一個(gè)LED，也就是多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)（dp），這個(gè)小數(shù)點(diǎn)可以更精確地表示數(shù)碼管想要顯示的內(nèi)容。8 段數(shù)碼管的每段按照一定的順序標(biāo)注。

        當(dāng)然有些LED數(shù)碼管會(huì)按照實(shí)際需要增加“段”或減少“段”。在實(shí)際應(yīng)用中，一般將多個(gè)數(shù)碼管封裝在一起，每組所包含的數(shù)碼管個(gè)數(shù)稱之為“位”，常見(jiàn)的封裝形式有1 位、2位、4 位、6 位、8 位等。LED 數(shù)碼管要正常顯示，就要用控制器或驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段，從而顯示出我們需要的數(shù)字、字母等，根據(jù)LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi)。數(shù)碼管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示時(shí)，每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由控制器的一個(gè)I/O 口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用特定的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O 口過(guò)多。要知道一個(gè)Arduino UNO 控制器可用的數(shù)字I/O 口只有14 個(gè)，而使用I/O 口多的控制器無(wú)疑會(huì)增加成本。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須依靠驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這就增加了硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

        數(shù)碼管動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示是目前應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式，是將所有數(shù)碼管相同名字的段連在一起，共同連接一個(gè)I/O 口，而每個(gè)數(shù)碼管的“位”選通由各自獨(dú)立連接的I/O 口控制。當(dāng)控制器輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于控制器對(duì)“位”選通端電路的控制。所以我們只要打開(kāi)需要顯示的數(shù)碼管的“位”選通端，這一位就會(huì)顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管也就不會(huì)發(fā)光顯示。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)LED 數(shù)碼管的“位”端，各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1 ～ 2ms，由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象以及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的感覺(jué)就是一組同時(shí)顯示的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，而不會(huì)出現(xiàn)閃爍。動(dòng)態(tài)顯示效果和靜態(tài)顯示是一樣的，但動(dòng)態(tài)顯示能夠節(jié)省大量I/O 口，并且每一時(shí)刻只會(huì)有一只數(shù)碼管點(diǎn)亮，功耗也就更低。雖然動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)LED 數(shù)碼管能夠節(jié)省控制器I/O 資源，但我們還是希望有更加便捷的使用方式，那就是將LED 數(shù)碼管與驅(qū)動(dòng)芯片集成在一起，使用特定的通信協(xié)議與控制器進(jìn)行連接通信。比如SPI LED 數(shù)碼管擴(kuò)展顯示模塊，除去電源正負(fù)極引腳，只需與控制器的3 個(gè)I/O 引腳相連接，編寫(xiě)程序即可實(shí)現(xiàn)顯示功能，可以使用SPI數(shù)碼管顯示模塊搭建的“定時(shí)炸彈”。除了SPI LED 數(shù)碼管擴(kuò)展顯示模塊，使用I2C 接口的4 位共陽(yáng)數(shù)碼管也是不錯(cuò)的選擇。它只需要4 根數(shù)據(jù)連接線，除去電源與地線，另外兩根為SCK與SDA 接口，即時(shí)鐘與數(shù)據(jù)接口，僅占用兩個(gè)I/O 口。而且只需要調(diào)用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編程，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的控制，來(lái)顯示數(shù)字和字母。

RGB LED 點(diǎn)陣

       大家知道LED 有各種不同的顏色，有一類(lèi)LED 自身就可以發(fā)出不同的顏色，有些甚至能夠顯示多達(dá)65536 種不同色彩，我們稱之為RGBLED。RGB LED 點(diǎn)陣組成方式及驅(qū)動(dòng)原理類(lèi)似單色LED 點(diǎn)陣，不同之處在于每個(gè)燈珠是由3個(gè)獨(dú)立的紅色、綠色和藍(lán)色LED 封裝在一個(gè)外殼內(nèi)而成，通過(guò)控制每個(gè)顏色的LED 發(fā)出不同的亮度，從而使不同飽和度的光混合出不同的顏色。

LED 點(diǎn)陣

       介紹完LED 數(shù)碼管，你可能會(huì)覺(jué)得小小的LED 經(jīng)過(guò)排列也可以顯示出實(shí)際意義的數(shù)字，非常神奇，那么看完即將登場(chǎng)的LED 點(diǎn)陣，你可能會(huì)更加感嘆人類(lèi)非凡的智慧。LED 點(diǎn)陣屏由LED 排列組成，以燈珠亮滅來(lái)顯示文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等，是模塊化的顯示器件，通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。LED 點(diǎn)陣顯示屏制作簡(jiǎn)單，安裝方便，已被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)合，如汽車(chē)報(bào)站器、廣告屏以及公告牌等。LED 點(diǎn)陣規(guī)格繁多，大多按實(shí)際需求定制。無(wú)論點(diǎn)陣屏幕大小、LED 數(shù)量多少，控制原理都一樣，大屏幕顯示系統(tǒng)一般是將由多個(gè)LED 點(diǎn)陣小模塊以搭積木的方式組合而成，每一個(gè)小模塊都有自己獨(dú)立的控制系統(tǒng)，組合在一起后由一個(gè)總控制器控制各模塊進(jìn)行顯示，這種方法簡(jiǎn)單、容易維修。以我們常見(jiàn)的8×8 點(diǎn)陣為例，來(lái)說(shuō)明其工作原理。8×8 點(diǎn)陣由64 個(gè)發(fā)光二極管組成，每個(gè)發(fā)光二極管都放置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，當(dāng)對(duì)應(yīng)的某一行置高電平，某一列置低電平，則相應(yīng)的二極管就會(huì)點(diǎn)亮。類(lèi)似LED 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式，在LED 點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)中，各模塊有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種顯示方式，目前普遍使用的是動(dòng)態(tài)顯示方式。在前面我們已經(jīng)分析過(guò)，使用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)非常占用控制器的資源，即便使用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，占用的資源依然很多。而使用SPI 接口的8×8 LED MatrixModule點(diǎn)陣模塊接線就很簡(jiǎn)單了，并且還可以用多個(gè)組合連接進(jìn)行拓展。

LCD

LCD是 Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱，也就是液晶顯示屏的意思，液晶從形狀和外觀上看都是一種液體，但它的分子結(jié)構(gòu)又表現(xiàn)出固體的形態(tài)。當(dāng)液晶受到外界電場(chǎng)影響，其分子會(huì)產(chǎn)生精確、有序的排列，如果對(duì)分子的排列加以適當(dāng)控制，那么液晶分子將會(huì)允許光線穿透。LCD 的構(gòu)造是將液晶盒放置在兩片平行基板玻璃中，下基板玻璃上放置薄膜晶體管，上基板玻璃上放置濾光片，通過(guò)薄膜晶體管上的信號(hào)與電壓的改變來(lái)控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，控制每個(gè)像素點(diǎn)能否射出光線，從而顯示出圖像。我們?cè)趯W(xué)習(xí)使用液晶顯示模塊的時(shí)候，第一個(gè)接觸的應(yīng)該是經(jīng)典的LCD1602 字符液晶模塊，1602 是16×2 的意思，也就是它能夠顯示每行16 個(gè)，共2 行字符。1602 液晶模塊按照數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)容進(jìn)行硬件

連接時(shí)，除去電源、地、背光調(diào)節(jié)等，通常還需要連接RS、R/W、E、DB0 ～ DB7共計(jì)11 個(gè)引腳，而且要按照讀寫(xiě)時(shí)序進(jìn)行指令、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作。前面提到過(guò)，控制器的I/O 引腳是有限的，為了實(shí)現(xiàn)各種功能，控制器可能會(huì)連接幾個(gè)電子模塊，如何簡(jiǎn)化電路連接、節(jié)省I/O 接口資源是我們必須考慮的。而I2C 的LCD1602 字符液晶顯示模塊就可以解決上述問(wèn)題，因?yàn)樗恍鑳筛€就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信，還可以掛其他I2C 設(shè)備。對(duì)于Arduino 初學(xué)者來(lái)說(shuō)， 就再也不必為繁瑣復(fù)雜液晶驅(qū)動(dòng)電路連線而頭疼了，只需通過(guò)4P 傳感器連接線連接，經(jīng)過(guò)Arduino 控制器編程后，便可輕松實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)標(biāo)語(yǔ)、傳感器數(shù)據(jù)的記錄顯示。接線簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)便利的使用串口通信的SerialLCD1602 模塊就采用了這樣的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。除了1602 液晶顯示模塊， LCD2004及LCD12864 液晶模塊也是比較常見(jiàn)的。LCD2004 能顯示每行20 個(gè)、共4 行字符， 較1602 模塊顯示內(nèi)容多了一倍有余，而 12864 液晶顯示模塊的顯示區(qū)域則由128×64 共計(jì)8192 個(gè)點(diǎn)組成，因此較1602 模塊與2004 模塊而言，12864液晶顯模塊能夠顯示更豐富的內(nèi)容。前面介紹的是單色液晶模塊，如果需要顯示彩色圖形和圖像，我們還會(huì)使用彩色液晶模塊，其控制原理與單色液晶模塊類(lèi)似。

電子紙

       說(shuō)起Kindle，相信喜歡使用“電子書(shū)”閱讀的朋友都不會(huì)陌生，其核心技術(shù)便是“電子紙”。電子紙也叫數(shù)碼紙，英文是E-paper，它是一種超薄、超輕的顯示屏。電子紙的視覺(jué)感觀幾乎和紙完全一樣，既能免于視覺(jué)疲勞，又可以像我們常見(jiàn)的液晶顯示器一樣不斷轉(zhuǎn)換，刷新顯示內(nèi)容。電子紙?jiān)诓环?yè)時(shí)可以保持原有顯示內(nèi)容，只有在翻頁(yè)刷新時(shí)才會(huì)耗電，所以比液晶顯示器省電很多。電子紙顯示設(shè)備通常都非常薄，重量也相當(dāng)輕。傳統(tǒng)LCD 由于結(jié)構(gòu)的原因，其厚度不可能太薄，重量也不會(huì)太輕。而電子墨水顯示設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，它的厚度可以做到1mm 左右，還不到LCD的一半。此外，電子墨水的適用范圍相當(dāng)廣泛，它不僅可用于玻璃表面，還可以應(yīng)用于塑料等材質(zhì)表面，所以它不會(huì)像LCD顯示屏那樣脆弱。電子紙常用于代替常規(guī)顯示設(shè)備、移動(dòng)通信等手持設(shè)備顯示屏，目前廣泛應(yīng)用于便攜式電子書(shū)等，它可以提供與傳統(tǒng)書(shū)刊類(lèi)似的閱讀實(shí)驗(yàn)。

EL發(fā)光線

        除了常見(jiàn)的LED、LCD 等顯示模塊外，EL 發(fā)光線正在被人們慢慢認(rèn)知。說(shuō)起EL發(fā)光線，大家可能不太了解，但提起冷光霓虹管，想必大家會(huì)略有耳聞。EL 發(fā)光線發(fā)光顏色豐富，使用時(shí)自身并不發(fā)熱，而且防水，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還能任意彎折、剪裁、拼接成各種形狀?，F(xiàn)在常用于家居裝飾、城市美化等領(lǐng)域。既然EL 發(fā)光線有如此多的優(yōu)點(diǎn)，那怎樣通過(guò)Arduino 來(lái)控制EL 發(fā)光線呢？我們可以使用EL 擴(kuò)展板，它可以同時(shí)控制4 個(gè)EL 設(shè)備，適合室內(nèi)裝飾項(xiàng)目或制作舞臺(tái)效果，并且控制方法就像控制LED 一樣簡(jiǎn)單。使用PWM 技術(shù)還可以制造出多彩而華麗的燈光效果。另外，EL 擴(kuò)展板配備了專(zhuān)用的EL逆變器，它可以驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)15m的EL燈條，足夠完成各種各樣復(fù)雜的圖案的顯示。無(wú)論是數(shù)碼管、LCD 還是電子紙、EL發(fā)光線，在實(shí)際應(yīng)用中，大家可以根據(jù)自己的需求，選擇適合的顯示模塊為機(jī)器人添加生動(dòng)的表情。下一期將為大家介紹機(jī)器人的“語(yǔ)言”，告訴你機(jī)器人是如何進(jìn)行交流的。敬請(qǐng)期待。

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