基于MAX7219的LED显示驱动设计

基于MAX7219的LED显示驱动设计
沈锐
【摘要】实现了一种驱动LED数码管动态显示的方案。

在分析数码管结构及显示原理的基础上,设计了驱动8位数码管的硬件电路,提出了自定义编码方式,在此基础上分析了数据传输过程,并设计了控制程序,实现了数码管的动态显示。

【期刊名称】《甘肃科技纵横》
【年(卷),期】2012(041)006
【总页数】3页(P39-41)
【关键词】LED数码管;自定义编码;动态显示
【作者】沈锐
【作者单位】中船重工第七一口研究所,湖北宜昌443003
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
LED（Light Emitting Diode）数码管无论在工业生产、交通运输、还是仪器仪表上都有广泛的用途，不仅可以用来显示测量值，也可以用来表示系统的各种状态。

1 LED数码管显示原理[1]
LED数码管（以下简称数码管）按各发光段的串并联方式分为串联式和并联式，由于串联式数码管控制起来较为复杂，且目前没有专用芯片可直接应用，只有通过分立开关器件或多路开关芯片等实现译码功能，因此较少使用。

而并联式数码管则
控制方式相对简单，且可靠性更高，工程上应用的比较多。

并联式数码管按其内部LED公共端的极性分为共阴极数码管和共阳极数码管，实际中常用的LED数码管
是并联式共阴极七段数码管，数码管各段编号如图1，结构原理如图2所示。

本文中VCC为5VDC。

共阳极数码管的控制方式与共阴极式类似，只是在决定哪一段
被点亮时给出的信号不同。

为方便起见，本文仅讨论并联式共阴极七段数码管，下文中简称数码管。

图1 数码管各段编号
图2 数码管结构原理
由图2可看出，每个数码段通过限流电阻和译码开关（译码开关泛指能起到开关
作用的器件，如三级管、MOSFET、普通开关等）相互并联，然后与电源连接，
由译码电路控制译码开关的通断。

译码开关导通表示与该译码开关相联的数码段被点亮，译码开关关断表示与该译码开关相联的数码段熄灭，不同的数码段按规律点亮和熄灭就可显示“0”～“9”，共10个阿拉伯数字以及部分英文字母。

比如在图1共阳极数码管中通过译码电路控制译码开关 Sa、Sf、Sc、Sd 闭合时，a、f、c、d四段被点亮，数码管显示数字“5”，译码开关 Sb、Sc、Se、Sf、Sg 闭合时，b、c、e、f、g 五段被点亮，数码管显示大写字母“H”。

2 驱动方案设计
数码管驱动芯片多种多样，max7219是美信（Maxim）公司推出的一款集成度较高的串行输入/输出的共阴极数码管驱动器，每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以多片级联，与CPU的连接方式为SPI或3个普通I/O口，这一点在工程应用上的优点十分明显，既可以节省系统的接口资源，又可以使控制简单化。

max7219片内集成有移位寄存器、B码译码器、多通道扫描电路、段和位驱动器
和5个控制寄存器。

数字寄存器由一个8×8双端口SRAM实现，用来存放点亮对应LED的具体内容，可直接寻址。

5个控制寄存器分别为：译码模式寄存器、亮
度寄存器、扫描限寄存器、关断寄存器、显示模式寄存器。

用户只需对控制寄存器编程就可设定译码方式、数码管个数、显示亮度、关闭、测试等功能。

允许每个数码管选择B译码或不译码。

只需外接一个电阻就可为所有的LED提供段电流。

本方案中 max7219的控制信号来自dsPIC30f6014A[2]，整个系统的供电电源为5VDC，电路原理图如图3所示。

图3 驱动电路原理图
DOUT为dsPIC30f6014A输出的串行数据，LOAD为加载信号，CLK是时钟信号，SEG A～SEG G、SEG DP分别对应共阴极数码管的8个控制开关，DP是小
数点位的控制开关，这8位均为高电平有效，即SEG信号为高电平时，对应的段
被点亮。

每一个数码管都有4个位控制信号，分别是DIG0～DIG3。

数码管被点
亮时，电流从DIGx流出，从SEGx流入，电流大小在视觉上反映为数码管的亮度，在Iset与VCC之间接一电阻可以为LED段提供峰值电流，以调整数码管的亮度。

电阻推荐值位略大于9.3 kΩ，本文中值取10kΩ。

3 软件设计
如图3，dsPIC30f6014A 输出 DOUT、LOAD、CLK 信号直接控制数码管的显示
方式及内容，每位数据通过DIN引脚在CLK信号的上升沿依次移入max7219内部的移位寄存器，在加载信号LOAD的控制下数据被锁存。

在LOAD的上升沿,最后移入移位寄存器的16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中。

DIN管脚输入的数据有两种类型：写入控制寄存器的数据和用来显示的数据。

每帧数据包含
16bits，数据格式如表1所示。

表1 max7219数据格式D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0× × × × 地址 MSB 数据 LSB
由表1看出，一帧数据由D0～D1 5位组成，D0～D7为数据位，D8～D11为地址位，D12～D15保留不用。

数据发送顺序是先发高位后发低位[3]。

软件首先要对max7219内部寄存器进行配置，包括译码模式寄存器、亮度寄存器、扫描限寄存器、关断寄存器、显示模式寄存器，这5个寄存器的地址分别是0Xx9、0xXA、0xXB、0xXC、0xXF，X 为无关位，译码模式采用自定义的译码方式，这
样可以增加数码管显示的字符种类。

因此，应该最先配置译码模式寄存器，即发送0x0900。

自定义译码表如表2，表中十六进制码的X位取决于地址位。

D7位控
制小数点，D7=1则数码管对应位上的小数点被点亮。

通过该译码方式数码管可以显示数字“0”～“9”、部分英文字母、符号，共 24 种字符。

表2 自定义译码表字符寄存器低八位数据 SEG A～SEG G及DP段编码十六进制码D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP A B C D E F G 0 1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 0 0xXX7E 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0xXX30 2 1
1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0xXX6D 3 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0
1 0xXX79 4 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0xXX33 5 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0xXX5B 6 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0xXX5F 7 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0xXX70 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0xXX7F 9 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0xXX70
表2 自定义译码表（续）字符寄存器低八位数据 SEG A～SEGG及DP段编
码十六进制码D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 DP A B C D E F G A 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0xXX77 b 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
0xXX1F C 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0xXX4E d 0 1 1 1 1 0 1 0
1 1 1 1 0 1 0xXX3D E 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0xXX4F F 1 0
0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0xXX47 H 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1
0xXX37 L 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0xXX0E n 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0xXX15 P 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0xXX67 U 0 1 1
1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0xXX3E v 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0
0xXX1C y 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0xXX27-0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0xXX01
亮度寄存器与max7219的Iset管脚和VCC之间接的电阻共同调整数码管亮度。

扫描限寄存器配置数码管的个数，本文应配置为显示8位。

关断寄存器、显示模
式寄存器主要在系统上电后起测试作用，即先让包括小数点在内的数码管各段全亮，0.5s后全熄灭，闪烁3次，检测数码管是否工作正常。

寄存器配置完成后即可向max7219发送要显示的字符信息，如要使数码管的第一位显示数字“5”，则应该循环发送数据0x015B。

由于数码管一般用来配合系统工作，显示某些即时信息，因此可以通过中断的方式刷新数码管显示内容。

中断子程序流程图如图4所示，发送数据子程序的流程图
如图5所示[4]。

其中DATA为要发送的16bits数据。

图4 中断程序流程图
图5 发送子程序流程图
除了发送给控制寄存器的数据外，当发送供显示的数据时，并不是发送一遍就结束了，而必须按一定的周期循环发送。

这是因为人眼具有视觉暂留现象，即在数码管熄灭后的0.1-0.4s之内，在人眼看来仍然是点亮的。

而控制系统中16bits数据刷新一遍的时间为us级，因此可以通过循环发送需显示的数据DATA，达到数码管动态显示的目的。

当要显示的内容发生变化时，只需更新DATA的内容，再循环
发送数据DATA即可，这也意味着软件中变量DATA应该定义为16bits的全局变量。

4 结束语
本文给出的通过单片机普通I/O口动态控制数码管显示的系统方案，克服了传统
方案I/O口占用数量多及硬件电路复杂的问题，具有结构及控制简单、性能可靠、成本低廉等优点，可广泛应用于各种智能化仪器仪表、工业控制现场等，具有较高
的工程应用价值。

参考文献：
［1］王世伟，杜运峰，蒋兆远.可在系统编程的智能键盘和数码管显示系统［J］.电子技术应用，2006，3.
［2］Microchip Technology Inc.dsPIC30F系列参考手册.［Z］.
［3］施红琴.可编程数码管/键盘串行接口芯片HD7279A的原理与应用［J］.国外电子元器件，2004，6.
［4］杨文龙.单片机原理及应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社,1993.。