LED驱动控制芯片开发笔记（TM1637）

TM1637，天微电子的一款LED驱动控制芯片（也就是数码管驱动芯片，数码管这里就不过多废话）。其应用也比较常见，多应用于小家电产品的显示面板、简单测量仪器的显示面板等。

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由于如果使用MCU直接驱动大量数码管，需要大量的GPIO，例如4位数码管其有40个多个像素点，意味着需要40个GPIO资源。对于成本至上的老板是不可能答应的。故TM1637的核心任务是使用MCU有限的GPIO引脚资源，驱动大量段码LED像素点。

这里TM1637采用了多路复用技术，将屏幕在时间上分成四个公共端，这样4COM+10SEG即可驱动40个像素点，再用2个GPIO与MCU通信。这就实现了2个端口控制40个显示单元，节省MCU资源！

更重要的是一块TM1637仅需一块四，批量采购仅需六毛！如果能直接联系到厂商说不定更便宜呢。

1. 关键信息

首先根据芯片手册，我们可以提取到一些关键信息：

• 通信接口：两线串行接口（CLK、DIO，自定义两线串行协议），注意这里与I2C通信类似，但不完全相同;
• 驱动能力：采用CMOS工艺，内置功率管，可以直接输出较大电流驱动LED数码管；
• 显示能力：显示模式（8段×6位，能同时驱动6位数码管），支持共阳数码管；
• 集成按键：键扫描（8×2bit，SEG线复用为按键扫描线，可以检测最多8×2=16个按键），增强型抗干扰按键识别电路（集成硬件消抖，滤波）；
• 内置上电复位电路，上电复位，通电即可工作；
• 键扫和现实功能可以同时使用，合理地设计交替调用显示更新函数和按键读取函数即可。

2. 引脚定义

3. 工作原理

3.1. TM1637键扫数据读取原理

键扫矩阵详细查看TM1637数据手册-读扫键章节¹，

其工作流程大致如下以S1按下为例：

sequenceDiagram
    participant MCU
    participant TM1637
    participant SEG1
    participant K1

    Note over TM1637: 1. 扫描周期开始
    TM1637->>SEG1: 激活SG1(输出低电平)
    Note over K1: 2. 由于S1按下，K1被SG1拉低
    TM1637->>K1: 检测到K1为低电平
    TM1637->>TM1637: 内部编码器工作
    Note over TM1637: 3. 根据"SG1激活 + K1低电平"<br>硬编码: 1110_1111
    MCU->>TM1637: 读取键值
    TM1637->>MCU: 返回 1110_1111

其中

• 在无按键按下时，读键数据为：1111_1111，低位在前，高位在后。
• 由于干扰较强，为改善这个问题，TM1637采用负沿触发方式解决误触发现象，即所谓“跳键”现象。
• 编码中，低4位表示当前有效的SEG线（不过跟它手册里的按键顺序毫无对应关系）。高四位表示SEG线下的K1（1111）、K2（0111）状态。不知道为什么乱序编码，不过至少表中的编码是唯一的。

3.2. TM1637显示寄存器地址和显示模式

这里之前说过，不是同时点亮的。是利用了人眼的“视觉暂留”机制，所以同一时间只有一个数码管被点亮。

TM1637设计了一个显示寄存器(一块内存)，通过串口，接收从MCU发来的数据。显示寄存器地址00H-05H共六个显示寄存器，对应六个数码管；每个寄存器又分了高低4位，对应数码管的每一个发光二极管。简单来说，往这个寄存器里写什么数据，GRID控制的数码管就怎么亮。

以GRID1为例，显示流程如下：

sequenceDiagram
    participant MCU
    participant TM1637
    participant DisplayRAM
    participant GRID1

    Note over MCU: 1. 准备显示数据
    MCU->>MCU: 确定GRID1显示数字"5", 查表得段码: 0x6D (0110_1101)

    Note over MCU, TM1637: 2. 设置显示地址，发送显示数据
    MCU->>TM1637: 发送命令: 0xC0 (GRID1地址)
    MCU->>TM1637: 发送数据: 0x6D (数字5段码)

    Note over TM1637, DisplayRAM: 3. 存储到显示寄存器
    TM1637->>DisplayRAM: 将0x6D存入地址0xC0

    Note over TM1637: 4. 动态扫描循环
    loop 每帧扫描
        TM1637->>GRID1: 激活GRID1(输出低电平)
        TM1637->>DisplayRAM: 读取地址0xC0的数据0x6D
        TM1637->>SEG: 根据0x6D输出段信号
        Note over GRID1: GRID1显示数字"5"
        TM1637->>GRID1: 关闭GRID1
        TM1637->>GRID2: 激活GRID2...
    end

注意

• 扫描一个GRID位的周期:Tdisp=500ms，每一位显示时间：1/16 Tdisp；
• 键盘扫描在每一轮显示周期结束后进行一次，参考TM1637数据手册-显示和键扫周期章节¹；

3.3. TM1637两线总线接口

CLK：时钟线；DIO：数据线。

TM1637特性：

• 总线空闲：数据线 High，时钟线 High；
• 起始信号：数据线 ↓，时钟线 High；
• 终止信号：数据线 ↑，时钟线 High；
• 数据有效：在触发起始条件之后，数据信号需在时钟线为低电平期间变化，在时钟高电平时保持（读取）；
• 应答信号：当数据传输正确时，在第八个时钟的下降沿，芯片内部会产生一个应答信号ACK将DIO管脚拉低，在第九个时钟结束之后释放DIO；
• 数据低位在先，高位在后；
• 跟I2C特性很像，差别在于传输的位顺序不一样。而且他没有设备地址的概念，直接命令+数据。

数据写入模式:

• 指令数据传输模式（读按键数据）
  • start --> command --> ack --> end
  • command：读按键指令；S0、S1、S2、K1、K2 组成按键信息编码，S0、S1、S2 为SGn的编码，K1、K2为K1和K2键的编码，其他位可能是0。
• 普通模式数据传输模式：
  • start --> command --> ack --> data --> ack --> end
    • Command: 设置地址
    • data：设置数据
• 写SRAM数据地址自动加1模式:
  • start --> +1modeCommand --> command --> ack --> data --> ack --> data1 --> ack --> end
    • 1modeCommand：设置数据
    • command：设置地址
    • data：显示数据
  • 在+1模式下地址自动+1，方便批量写入。
• 写SRAM数据固定地址模式:
  • start --> fixModeCommand --> command --> ack --> data --> ack --> command --> ack --> data1 --> ack --> end
    • fixModeCommand：设置数据
    • command：设置地址
    • data：显示数据
  • 没搞清楚跟普通模式有什么区别，// todo 待测试

命令字（8位）: 用于设置地址、模式等。

• [ B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 ] (MSB -> LSB)
  • B7，B6: 功能选择位。
    • 数据命令(00) → 数据写入模式（写LED/读按键、自增或固定）
    • 显示控制(10) → 总体显示状态（开/关、亮度）
    • 地址命令(01) → 写入的具体位置
  • B5，B4: 无关项，填0。
  • 详细控制命令，参考TM1637数据手册-命令控制章节¹。

4. TM1637应用

4.1. 初始化流程

4.2. 参考代码

常见问题

TM1637在处理多键同时按下时的行为

经过测试，仅返回最后一个按下的编码结果。

参考资料