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(fā)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。
SPI與UART的一個重要的區(qū)別就是它是一個同步通信協(xié)議。主機中有一個時鐘發(fā)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(fā)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(jié)器、亮度脈寬調節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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。
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。
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(xù)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。
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：
5 實 驗
實驗中使用上述級聯系統(tǒng)的軟硬件進行了32位數碼管循環(huán)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(huán)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。
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(tǒng)，以驅動更多的數碼管。
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