任务介绍
四位数码管驱动模块
我选择的是设计一款四位数码管驱动模块，要求能够通过2线串行接口控制四位七段数码管显示，并具备硬件亮度调节功能。
一、模块介绍
本四位数码管驱动模块集成了PCF8574P I²C扩展芯片、CD4017计数器和NE555定时器，可实现稳定的数码管显示和硬件亮度调节功能。PCF8574P是一款标准的I²C转8位并行IO扩展芯片，能够有效减少主控器的IO占用；CD4017和NE555组合构成了独立的硬件PWM亮度调节电路，无需软件干预即可实现8级亮度调节。该模块通过I²C总线与外部主控设备进行通信，广泛应用于需要数字显示的场合，如仪器仪表、工业控制、智能家居等领域。
1. NTC热敏电阻 (10kΩ @ 25°C)
型号: NTCLE100E3103JB0 (Vishay BC Components)
链接: [DigiKey购买链接]( NTCLE100E3103JB0 Vishay Beyschlag/Draloric/BC Components | 传感器，变送器 | DigiKey)
说明:该热敏电阻在25°C时阻值为10kΩ，B值为3435K，是非常通用的型号，精度高，货源充足。
主要器件选型（来自DigiKey）
1、PCF8574P x 2片
作用：I²C转8位并行IO扩展芯片
功能：第一片控制数码管的段选信号（a,b,c,d,e,f,g,dp）
第二片控制数码管的位选信号（COM1-COM4），实现标准的I²C通信接口
链接: [DigiKey购买链接]：PCF8574PWG4 Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey
2、CD4017
作用：十进制计数器/分频器
功能：通过按键控制产生8级亮度编码
输出Q0-Q7控制电阻网络，改变PWM参数
链接: [DigiKey购买链接] CD4017BE Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey
3、NE555
作用：精密定时器
功能：产生可调PWM信号
通过电阻网络控制输出波形的占空比，实现硬件亮度调节
链接: [DigiKey购买链接] NE555P Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey
二、原理图和PCB模块介绍
原理图
图1：四位数码管驱动模块原理图
PCB
图2：四位数码管驱动模块PCB布局
三、主要性能指标
（一）PCF8574P 性能指标
1. 通信接口：标准I²C接口，支持100kHz/400kHz通信速率，设备地址可配置。
2. 工作电压：工作电压范围为2.5V至6.0V，与3.3V和5V系统兼容。
3. 驱动能力：每个IO口可提供25mA的电流驱动能力，可直接驱动LED段码。
4. IO扩展：提供8位准双向IO口，内置高阻抗上拉电阻。
5. 功耗：静态电流消耗典型值为10μA，低功耗模式下为1μA。
（二）CD4017 性能指标
1.工作电压：工作电压范围为3V至18V，适应宽电压范围。
2.计数功能：十进制Johnson计数器，具有10个译码输出端。
3.时钟频率：最高时钟频率可达5MHz（在10V供电时）。
4.驱动能力：每个输出端可提供至少2.6mA的驱动电流。
5.温度范围：工作温度范围为-55°C至+125°C。
（三）NE555 性能指标
1.工作电压：工作电压范围为4.5V至16V。
2.输出电流：输出电流可达200mA，可直接驱动小型负载。
3.定时范围：定时范围从微秒级到小时级，可通过外部RC网络调节。
4.温度稳定性：温度稳定性为50ppm/°C。
5.占空比：输出占空比可调范围为0%至100%。
四、管脚定义
（一）PCF8574P 管脚定义
1. A0-A2（1-3脚）：I²C地址选择引脚，通过设置这些引脚的电平状态，可在同一I²C总线上识别多个PCF8574P器件。
2. P0-P7（4-7,9-12脚）：8位准双向IO口，用于控制数码管的段选和位选信号。
3. INT（13脚）：中断输出引脚，低电平有效，当IO状态变化时产生中断。
4. DA（14脚）：I²C总线数据输入/输出引脚。
5. CL（15脚）：I²C总线时钟输入引脚。
6. VSS（8脚）：接地引脚。
7. VDD（16脚）：电源输入引脚。
（二）CD4017 管脚定义
1. Q0-Q9（3,2,4,7,10,1,5,6,9,11脚）**：译码输出引脚，依次输出高电平。
2. CLK（14脚）：时钟输入引脚，上升沿触发计数。
3. RESET（15脚）：复位引脚，高电平有效，复位计数器至Q0输出。
4. CLK INH（13脚）：时钟禁止引脚，高电平时禁止计数。
5. CARRY OUT（12脚）：进位输出引脚，每10个时钟周期输出一个脉冲。
6. VSS（8脚）：接地引脚。
7.VDD（16脚）：电源输入引脚。
（三）NE555 管脚定义
1. GND（1脚）：接地引脚。
2. TRIG（2脚）：触发引脚，当电压低于1/3 VCC时启动定时周期。
3. OUT（3脚）：输出引脚，输出高电平或低电平。
4. RESET（4脚）：复位引脚，低电平有效，强制输出低电平。
5. CTRL（5脚）：控制电压引脚，用于调整内部比较器阈值。
6. THR（6脚）：阈值引脚，当电压高于2/3 VCC时终止定时周期。
7. DIS（7脚）：放电引脚，定时结束后对地放电。
8. VCC（8脚）：电源输入引脚。
（四）其他接口定义
1.VCC：电源输入接口，建议电压5V。
2.GND：接地接口。
3.SDA：I²C数据线接口。
4.SCL：I²C时钟线接口。
5.Brightness+：亮度增加按键接口。
6. Brightness-：亮度减少按键接口。
五、板上设置及标识
（一）电源设置
1. 模块主电源通过VCC引脚接入，电压建议为5V，可在3.3V至5V范围内工作。
2. 模块具有完善的电源滤波电路，确保各芯片工作稳定。
（二）地址设置
PCF8574P的器件地址由A0、A1、A2引脚的电平状态决定，通过设置这些引脚的上拉或下拉电阻，可配置不同的器件地址，以便在同一I²C总线上连接多个驱动芯片。
（三）亮度设置
1. 模块提供两个实体按键用于亮度调节，Brightness+用于增加亮度，Brightness-用于减少亮度。
2. 通过跳线设置可选择硬件PWM亮度控制或软件亮度控制模式。
（四）标识说明
1. 模块上的U1标识对应PCF8574P段控制芯片，U2标识对应PCF8574P位控制芯片。
2. 模块上的U3标识对应CD4017计数器芯片，U4标识对应NE555定时器芯片。
3. 各引脚通过丝印清晰标识，方便接线和调试。
4. 数码管引脚通过丝印清晰标注，便于正确安装。
六、eZ-PLM上新建物料和项目的截图
图3：物料管理截图
图4：项目详情图
七、心得体会
在设计四位数码管驱动模块的过程中，深刻体会到硬件亮度调节电路设计的巧妙之处。CD4017与NE555的组合实现了完全独立于软件的亮度控制，这种设计思路在资源受限的嵌入式系统中具有重要价值。PCF8574P的使用大大简化了主控器的IO资源占用，通过标准的I²C接口即可实现复杂的数码管显示控制。
在硬件设计方面，合理的电源分配和信号布线对显示稳定性至关重要。数码管的段电流需要精确计算和限制，既要保证亮度适中，又要防止过流损坏。PWM频率的选择也需要平衡，频率过低会导致闪烁，过高则会影响亮度调节效果。在系统集成方面，模块化的设计思想让整个系统更加清晰。将显示驱动、亮度控制、电源管理等功能模块化，不仅提高了设计效率，也便于后续的维护和升级。
通过该模块的设计，不仅加深了对数字电路和模拟电路的理解，还掌握了混合信号PCB设计的要点。特别是在去耦电容布置、信号完整性、电源完整性等方面的实践经验，为今后更复杂的电路设计打下了坚实基础。
