0 引 言
在儀器儀表的設計制作中常要用到數(shù)碼管顯示,，有時數(shù)碼管的數(shù)量還會很多,。如果為每個數(shù)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(shù)碼管，并且可以進行級聯(lián)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)就按照這個時鐘進入相應的移位寄存器,。主機的數(shù)據(jù)從主機的MOSI引腳移出,，移入到從機的MISO引腳；從機的數(shù)據(jù)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(shù)碼管顯示驅動器,，單片最多可驅動8位數(shù)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(lián)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(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(shù)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(lián)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(shù)碼管,。由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的線路。在這種級聯(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現(xiàn)的。
例如,，要向第二級的MAX7221傳輸數(shù)據(jù),，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(shù)據(jù),。要向第三級的MAX7221傳輸數(shù)據(jù)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(lián)方式設計個數(shù)不是8的整數(shù)倍的數(shù)碼管顯示驅動器,，必須要為各個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,，那么采用兩級級聯(lián)驅動，每個MAX7221驅動6個數(shù)碼管,；如果需要11位數(shù)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(shù)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(shù)碼管個數(shù)越多,，數(shù)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(jù)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(shù)；SPI_transmit()用于在時序到來時連續(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)傳輸結束的全過程,，并將級聯(lián)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(shù)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(lián)系統(tǒng)的軟硬件進行了32位數(shù)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(shù)為1 430 ms,。據(jù)此可計算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?img alt="公式" border="0" height="52" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100816/fc490829-533c-47f8-b5ab-d9ffaada9a63.jpg" width="379" />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(shù),、循環(huán)以及對SS的拉低和置高都耗費了MCU的有效時間?？梢酝茢?，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(lián)的MAX7221系統(tǒng),，以驅動更多的數(shù)碼管,。