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基于SPI的MAX7221與MCU連接設計
摘要: 在儀器儀表的設計制作中常要用到數碼管顯示,有時數碼管的數量還會很多。如果為每個數碼管都單獨設計驅動電路,一方面對MCU來說是一個不小的負擔,另一方面大幅增加了電路板的面積成本。
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  在儀器儀表的設計制作中常要用到數碼管顯示,有時數碼管的數量還會很多。如果為每個數碼管都單獨設計驅動電路,一方面對MCU來說是一個不小的負擔,另一方面大幅增加了電路板的面積成本。集成電路MAX7221單片可以驅動8位數碼管,并且可以進行級聯擴展,對于這個問題是一個較為妥善的解決方案。一般MAX7221與MCU的連接使用兩種方法:一是使用MCU的I/O口直接模擬通信所需要的時序,此法操作較為繁瑣,易出錯;二是使用UART串行口,這種方法的通信速率最高僅為11.52 Kb/s。介紹第三種方法,即MAX7221通過串行外設接口(Serial PeripheralInterface,SPI)與MCU連接,此法具有簡單和易于使用的特點,其通信速率理論上高達10 Mb/s。

  1 SPI原理

  SPI是一種由Motorola公司開發的高速、全雙工、同步串行通信接口。MCU通過它可以方便地連接到存儲器、A/D轉換器、D/A轉換器、實時時鐘日歷、LCD驅動器、傳感器、音頻芯片,甚至另一個MCU。由于SPI的成本低,實用性強,很多新推出的芯片都增加了對它的支持。

  SPI以主從方式工作,這種模式通常有一個主機和一個或多個從機,使用4根信號線:主機輸出/從機輸入(MOSI)、主機輸入/主機輸出(MISO)、串行時鐘SCLK和外設片選(SS)。典型的點對點SPI通信連接如圖1所示。

典型的點對點SPI通信連接

  SPI與UART的一個重要的區別就是它是一個同步通信協議。主機中有一個時鐘發生器,可以在SCLK引腳上產生時鐘信號,所有的數據傳輸都按照這個同步時鐘來進行。主機和從機各有兩個移位寄存器分布在各自MOSI及MISO引腳,具體的傳輸過程就是由這幾個移位寄存器來完成的。以SS低電平有效為例,平時,主機維持SS為高電平,SCLK無信號;進行傳輸時,主機首先將SS引腳拉低作為從機的片選信號,然后在SCLK引腳上產生同步時鐘,需要發送或接收的數據就按照這個時鐘進入相應的移位寄存器。主機的數據從主機的MOSI引腳移出,移入到從機的MISO引腳;從機的數據從從機的MOSI引腳移出,移人到主機的MI-SO引腳;傳輸結束后,主機將SS拉高。有多個從機時,主機的SS信號可以與從機的片選邏輯進行組合,沒有被選中的從機將不會參與SPI傳輸。

  2 器件介紹

  2.1 MAX7221

  MAX7221是一款串行接口的數碼管顯示驅動器,單片最多可驅動8位數碼管。它包含有七段譯碼器、位和段驅動器、多路掃描器、段驅動電流調節器、亮度脈寬調節器及多個特殊功能寄存器。MAX7221不僅可以很方便地與MCU相連接,還可通過級聯進行擴展。它的主要功能特點有:

  (1)10 MHz的串行接口;

  (2)BCD譯碼/非譯碼模式選擇;

  (3)耗電僅150 μA的關斷模式;

  (4)數字和模擬雙重亮度控制;

  (5)SPI,QSPI,Microwire等多種串行接口。

  2.2 MCU

  考慮了實用性、性能價格比等多種因素,實驗MCU選用ATmega128,它是一種基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器,最高工作頻率為16 MHz。它采用了先進的指令集,絕大多數指令均為單周期指令,自帶128 KB的FLASH,可以通過SPI,JTAG、引導程序等多種方式多次編程,支持系統編程及調試。ATmega128的SPI接口最高工作頻率為主頻的50%,可達8 MHz(與MAX7221SPI口的速率上限相當)。該接口的工作方式(主/從)、時鐘極性、時鐘沿及工作頻率均可靈活配置。

  3 硬件連接

  圖2所示為4片級聯MAX7221通過SPI與ATmega128連接的電路圖。該系統最多可以驅動32位數碼管。由于數據是單向傳輸,因此將ATmega128配置為主機,MAX7221配置為從機,可以省略從機向主機傳輸數據的線路。在這種級聯連接方式中,所有MAX7221的CS都連接在一起,其片選是通過在要傳輸的數據前增加空操作指令來實現的。

4片級聯MAX7221通過SPI與ATmega128連接的電路圖

  例如,要向第二級的MAX7221傳輸數據,應當在時序到來之后首先傳輸一個空操作指令(0X0000),然后再傳輸數據。要向第三級的MAX7221傳輸數據時,要先傳輸兩個空操作指令,以此類推。值得一提的是,如果要用這種級聯方式設計個數不是8的整數倍的數碼管顯示驅動器,必須要為各個MAX7221分配平均的掃描位數。

  例如,如果需要12位數碼管顯示,那么采用兩級級聯驅動,每個MAX7221驅動6個數碼管;如果需要11位數碼管顯示,那么一級驅動6個,一級驅動5個,但掃描限位仍然都設定為6,只將其中一個空接。這么做是因為MAX7221對8位數碼管的掃描能力是一定的,在相同亮度的等級下需要進行掃描的數碼管個數越多,數碼管看上去就越暗。如果各級MAX7221設定的掃描限位不一致,盡管設定了相同的亮度等級,實際顯示的亮度也會有所差別。

 

  4 軟件設計

  圖3是MAX7221的SPI傳輸時序圖。

MAX7221的SPI傳輸時序圖

  根據MAX7221的SPI時序圖及寄存器地址表,可以編制出相應的ATmega128 SPI子程序。SPI_init()用于初始化ATmega128的SPI口,設定時鐘極性和頻率等參數;SPI_transmit()用于在時序到來時連續傳輸16位數據;MAX7221_transmit()用于總體完成從CS被拉低到數據傳輸結束的全過程,并將級聯情況也考慮了進去。

程序

程序

  需要注意的一點是MAX7221一上電就進入到關斷模式,所驅動的數碼管無任何顯示,必須首先退出該模式進入到正常工作模式。相應的子程序如下:

程序

MAX7221的寄存器地址表

  5 實 驗

  實驗中使用上述級聯系統的軟硬件進行了32位數碼管循環顯示測試,結果正常。此外,還利用AT-mega128自帶的定時器對第一級的MAX7221進行速率測試,流程如圖4所示。一共進行20次測試,最終定時器的平均讀數為1 430 ms。據此可計算出數據傳輸的速率公式該速率未能達到理論上的8 Mb/s,其原因是進入和退出函數、循環以及對SS的拉低和置高都耗費了MCU的有效時間。可以推斷,提高在MCU的頻率時MAX7221的SPI傳輸速率還可進一步提高。

流程圖

  6 結 語

  實驗證明,MAX7221僅需3線即可通過SPI與MCU連接。這種SPI通信法不但通信速率高,還可用于級聯的MAX7221系統,以驅動更多的數碼管。

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