任务介绍

本次任务选择的是任务三—— 按键和旋转编码器控制、点阵LED显示的人机接口模块，本次任务需要设计包含一个旋转编码器、多个（2个以上）按键以及点阵LED（5x7以上）的HMI模块，为方便搭配不同的核心板，我们设计的这个HMI模块需支持对核心板进行信息输入控制及核心板输出信息控制点阵LED的显示。

模块介绍

设计思路

本次设计的HMI模块本着集成效果的要求，将按键以及旋转编码器作为输入部分与LED矩阵作为输出部分集成在一个拓展板上，通过2.54的排针进行控制接口连接。

功能介绍

本次设计是HMI模块集成了一下功能：

两个轻触按键；

一个旋转编码器；

一个8*8矩阵LED显示。

硬件介绍

轻触按键使用的是6*6尺寸，相对来说这个尺寸的按键操作起来还是比较方便的；旋转编码器具有方向输出的效果，也具备轻触功能。LED显示采用的8*8矩阵模型，比较方形的设计比较方便进行显示，选取的是高亮的LED，具有功耗低，亮度大等特点，整体的矩阵控制使用的四两个串联的74HC595；接口最小化原则，按键及旋转编码器正好集中在一个1*5的排针上，LED矩阵控制及模块的供电通过另一个1*5的排针上。

设计框图

本次设计的人机接口模块，包含输入控制（一个旋转编码器和2个按键），输出显示为8*8 LED矩阵，为了尽可能的减少MCU的控制接口，LED矩阵接入74HC595控制，74HC595是一款串行输入/串行输出的移位寄存器，拥有8位移位寄存器和8位并行输出，这使得它在扩展数字IO端口时非常有用。它以串行的方式接收来自微控制器的数据，并能够控制多个输出引脚，从而达到用少量IO控制多个负载的目的。74HC595的工作原理基于两个主要部分：移位寄存器和锁存器。移位寄存器 ：负责接收串行输入的数据。在每一个时钟脉冲的作用下，数据一位一位地向左移动。这个过程相当于在对数据进行“排队”。锁存器 ：用于并行输出数据。一旦移位寄存器中的数据被完全接收并准备输出时，锁存器会同步这些数据并提供稳定输出。

原理图和PCB介绍

原理图

PCB

通过引入74HC595D，我们大大的将引脚数量减少，同时与输入控制引脚全部可以通过对称的两个1*5的2.54插座进行引出，本模块实现了输入和输出同时存在一个模块上，焊接后的实物图如下：

软件调试

本次设计的模块只能说是一个辅助模块，用于人机交互的，我们需要使用一款主控单元，通过杜邦线根据以下模块引脚定义进行适当的连接：

这里我们选择了一款STM32C071的开发板作为本次测试验证的主控单元，根据功能需求连接如下：

我们使用STM32CubeMX生成初始化的工程，并启动输入采集的外部中断，74HC595D的通信接口我们连接到ST单片机的SPI串行接口上，并启动相关功能。

我们简单结合按键和LED举证实现功能：

初始状态下LED矩阵亮起第一排第一个灯；

随着旋转编码器的转动亮起的LED灯在同一行跳动，旋转编码器是可以识别方向的，正向跳动和反向跳动与旋转编码器的选装方向关联；

两个按键进行显示行数的切换。

主要代码介绍：

单个的LED控制函数，使用此函数可以打开8*8矩阵中的一个LED：

void HC595_Send_Byte(uint8_t num)
{
    uint8_t i;
    for(i = 0;i<8;i++)
    {
        if(num & 0x80)//取最高位 1000 0000
        {
            HC595_DS_SET;
        }
        else
        {
            HC595_DS_RESET;
        }
        HC595_SHCP_SET;
        HAL_Delay(10);
        HC595_SHCP_RESET;
        HAL_Delay(10);

        num <<=1;
    }
}
void HC595_Send_Data(uint8_t Data_A,uint8_t Data_B)
{
    HC595_Send_Byte(Data_B);
    HC595_Send_Byte(Data_A);

    HC595_STCP_SET;
    HAL_Delay(10);
    HC595_STCP_RESET;
    HAL_Delay(10);
}

void HC595_Send_bit(uint8_t num)
{
        uint8_t Data_A = 0x00;
        uint8_t Data_B = 0x00;
        uint8_t Data_X = 0x00;
        uint8_t Data_Y = 0x00;
        num = num%65;
        if(num == 0)
        {
            Data_A = 0x00;
            Data_B = 0x00;
        }
        else 
        {
            Data_X = (num-1)%8;
            Data_X = 0x01<<Data_X;
            Data_Y = (num-1)/8;
            Data_Y = 0x01<<Data_Y;
            
            Data_A = Data_X;
            Data_B = ~(0xff&Data_Y);
        }
    HC595_Send_Byte(Data_B);
    HC595_Send_Byte(Data_A);

    HC595_STCP_SET;
    HAL_Delay(10);
    HC595_STCP_RESET;
    HAL_Delay(10);
}

按键的中断处理函数：

void HAL_GPIO_EXTI_Rising_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_10)
    {
                data_flag = 1;
                datax++;
                if(datax > 8)
                    datax =1;
    }
        if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_7)
        {
                data_flag = 1;
                datax--;
                if(datax == 0)
                    datax = 8;
        }
}

旋转编码器的方向采集函数：

void HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
        if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_4)//FSB
    {

    }
        if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_5)//FSD
    {
                
    }
        if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_8)//FSA
    {
            if(READ_KEY_B == 1)
            {
                data_flag = 1;
                datay++;
                if(datay > 8)
                    datay =1;
            }
            else
            {
                data_flag = 1;
                datay--;
                if(datay == 0)
                    datay = 8;    
            }
        }
    
}

模块调试效果图

心得体会

本次我们选择了一个人机接口模块的设计，并在其最低要求上进行了扩展，为了减少控制部分，我们引入了锁存器的控制，通过两个锁存器实现8*8LED矩阵的控制，通过这次的限时挑战我们初步完成了设计，并调试可以满足控制要求，不过由于时间限制，还是有一些不足的，比如模块外形的设计可以在小一点，增加有效的利用面积；引脚没有添加丝印指示，每次使用都需要找引脚图。后续的设计会参考这些细节上的不足，再接再厉。