基于SPI的MAX7221與MCU連接

　0 引 言

　　在儀器儀表的設(shè)計(jì)制作中常要用到數(shù)碼管顯示，有時(shí)數(shù)碼管的數(shù)量還會(huì)很多。如果為每個(gè)數(shù)碼管都單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，一方面對(duì)MCU來說是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，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(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管，并且可以進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，對(duì)于這個(gè)問題是一個(gè)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(shí)序，此法操作較為繁瑣，易出錯(cuò)；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(shè)接口(Serial PeripheralInteRFace，SPI)與MCU連接，此法具有簡(jiǎn)單和易于使用的特點(diǎn)，其通信速率理論上高達(dá)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(chǔ)器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷、LCD驅(qū)動(dòng)器、傳感器、音頻芯片，甚至另一個(gè)MCU。由于SPI的成本低，實(shí)用性強(qiáng)，很多新推出的芯片都增加了對(duì)它的支持。

　　SPI以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)，使用4根信號(hào)線：主機(jī)輸出／從機(jī)輸入(MOSI)、主機(jī)輸入／主機(jī)輸出(MISO)、串行時(shí)鐘SCLK和外設(shè)片選(SS)。典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SPI通信連接如圖1所示。

　　SPI與UART的一個(gè)重要的區(qū)別就是它是一個(gè)同步通信協(xié)議。主機(jī)中有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，可以在SCLK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，所有的數(shù)據(jù)傳輸都按照這個(gè)同步時(shí)鐘來進(jìn)行。主機(jī)和從機(jī)各有兩個(gè)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(gè)移位寄存器來完成的。以SS低電平有效為例，平時(shí)，主機(jī)維持SS為高電平，SCLK無信號(hào)；進(jìn)行傳輸時(shí)，主機(jī)首先將SS引腳拉低作為從機(jī)的片選信號(hào)，然后在SCLK引腳上產(chǎn)生同步時(shí)鐘，需要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)就按照這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的MOSI引腳移出，移入到從機(jī)的MISO引腳；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MOSI引腳移出，移人到主機(jī)的MI-SO引腳；傳輸結(jié)束后，主機(jī)將SS拉高。有多個(gè)從機(jī)時(shí)，主機(jī)的SS信號(hào)可以與從機(jī)的片選邏輯進(jìn)行組合，沒有被選中的從機(jī)將不會(huì)參與SPI傳輸。

　　2 器件介紹

　　2．1 MAX7221

　　MAX7221是一款串行接口的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，單片最多可驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管。它包含有七段譯碼器、位和段驅(qū)動(dòng)器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、亮度脈寬調(diào)節(jié)器及多個(gè)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(jí)聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)展。它的主要功能特點(diǎn)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(guān)斷模式；

　　(4)數(shù)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(shí)用性、性能價(jià)格比等多種因素，實(shí)驗(yàn)MCU選用ATmega128，它是一種基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(jìn)的指令集，絕大多數(shù)指令均為單周期指令，自帶128 KB的FLASH，可以通過SPI，JTAG、引導(dǎo)程序等多種方式多次編程，支持系統(tǒng)編程及調(diào)試。ATmega128的SPI接口最高工作頻率為主頻的50％，可達(dá)8 MHz(與MAX7221SPI口的速率上限相當(dāng))。該接口的工作方式(主／從)、時(shí)鐘極性、時(shí)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(jí)聯(lián)MAX7221通過SPI與ATmega128連接的電路圖。該系統(tǒng)最多可以驅(qū)動(dòng)32位數(shù)碼管。由于數(shù)據(jù)是單向傳輸，因此將ATmega128配置為主機(jī)，MAX7221配置為從機(jī)，可以省略從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的線路。在這種級(jí)聯(lián)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?shù)臄?shù)據(jù)前增加空操作指令來實(shí)現(xiàn)的。

　　例如，要向第二級(jí)的MAX7221傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)在時(shí)序到來之后首先傳輸一個(gè)空操作指令(0X0000)，然后再傳輸數(shù)據(jù)。要向第三級(jí)的MAX7221傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，要先傳輸兩個(gè)空操作指令，以此類推。值得一提的是，如果要用這種級(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)不是8的整數(shù)倍的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，必須要為各個(gè)MAX7221分配平均的掃描位數(shù)。

　　例如，如果需要12位數(shù)碼管顯示，那么采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)MAX7221驅(qū)動(dòng)6個(gè)數(shù)碼管；如果需要11位數(shù)碼管顯示，那么一級(jí)驅(qū)動(dòng)6個(gè)，一級(jí)驅(qū)動(dòng)5個(gè)，但掃描限位仍然都設(shè)定為6，只將其中一個(gè)空接。這么做是因?yàn)镸AX7221對(duì)8位數(shù)碼管的掃描能力是一定的，在相同亮度的等級(jí)下需要進(jìn)行掃描的數(shù)碼管個(gè)數(shù)越多，數(shù)碼管看上去就越暗。如果各級(jí)MAX7221設(shè)定的掃描限位不一致，盡管設(shè)定了相同的亮度等級(jí)，實(shí)際顯示的亮度也會(huì)有所差別。

　4 軟件設(shè)計(jì)

　　圖3是MAX7221的SPI傳輸時(shí)序圖。

　　根據(jù)MAX7221的SPI時(shí)序圖及寄存器地址表，可以編制出相應(yīng)的ATmega128 SPI子程序。SPI_init()用于初始化ATmega128的SPI口，設(shè)定時(shí)鐘極性和頻率等參數(shù)；SPI_transmit()用于在時(shí)序到來時(shí)連續(xù)傳輸16位數(shù)據(jù)；MAX7221_transmit()用于總體完成從CS被拉低到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的全過程，并將級(jí)聯(lián)情況也考慮了進(jìn)去。

　　需要注意的一點(diǎn)是MAX7221一上電就進(jìn)入到關(guān)斷模式，所驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管無任何顯示，必須首先退出該模式進(jìn)入到正常工作模式。相應(yīng)的子程序如下：

　　5 實(shí) 驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中使用上述級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了32位數(shù)碼管循環(huán)顯示測(cè)試，結(jié)果正常。此外，還利用AT-mega128自帶的定時(shí)器對(duì)第一級(jí)的MAX7221進(jìn)行速率測(cè)試，流程如圖4所示。一共進(jìn)行20次測(cè)試，最終定時(shí)器的平均讀數(shù)為1 430 ms。據(jù)此可計(jì)算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?img style="LETTER-SPACING: normal" height=52 alt=公式 hspace=0 src="/article/UploadPic/2010-2/2010211105024799.jpg" width=379 border=0>該速率未能達(dá)到理論上的8 Mb／s，其原因是進(jìn)入和退出函數(shù)、循環(huán)以及對(duì)SS的拉低和置高都耗費(fèi)了MCU的有效時(shí)間。可以推斷，提高在MCU的頻率時(shí)MAX7221的SPI傳輸速率還可進(jìn)一步提高。

　　6 結(jié) 語

　　實(shí)驗(yàn)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(jí)聯(lián)的MAX7221系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)更多的數(shù)碼管。