第11章
LED数码管动态驱动芯片

为了能够顺利使用单片机控制MAX7219，我们先来看看怎么样与它进行通信，相应的时序如图11.1所示。

MAX7219需要的控制信号分别为串行时钟（Serial Clock Input，CLK）、串行数据（Serial Data Input，DIN）、加载数据（Load-Data Input，LOAD），它们均为输入引脚。当每个CLK的 上升沿 （因为 t _DS 与 t _DH 分别标注在CLK上升沿左右两侧）到来时，DIN将被移入到MAX7219的内部 16位 移位寄存器，而当LOAD 上升沿 到来时，移位寄存器的数据将会被载入到锁存器。虽然时序告诉我们，在进行数据移位时需要先将LOAD拉低，但对于MAX7219而言并不是必须的，可以在数据移位完成后再产生LOAD上升沿进行数据载入，但为了兼容其他芯片（例如，MAX7221必须在移位时将 拉低，它同时也作为片选的功能而存在），我们还是严格按照时序图进行代码编写。另外，串行数据输出（Serial Data Output，DOUT）引脚输出16位移位寄存器的移出数据，DIN引脚的数据将在16.5（下降沿锁存）个时钟周期后成为DOUT，它与下一片MAX7219的DIN引脚连接可以用于扩展。

有心的读者可能会想：MAX7219的控制时序好像与74HC595非常相似呀！没错！MAX7219与74HC595的控制引脚定义是相同的，只不过引脚名称不同而已。MAX7219通信时序与74HC595主要有两点不同：其一，LOAD信号是 边沿触发 的，而ST_CP是 电平触发 的；其二，MAX7219 需要一次性载入16位数据（而不是8位） ，但我们前面已经写过这种函数了，所以拿过来修改一下就可以使用了。

现在的问题是： 怎么样控制MAX7219驱动数码管显示需要的数据呢？ 首先我们得知道，通过串行接口写入到MAX7219的16位数据都代表着什么。这并不难理解，就像在清单10.1所示源代码中往74HC595写入的16位数据一样，我们知道它代表的是合并的字形码与位选通，它与往MAX7219写入的16位数据没有本质的区别，只不过数据的定义可能会有所不同而已。表11.1为数据手册中标注的串行数据格式（Serial Data Format）。

表11.1告诉我们，在写入MAX7219的16位数据中，低8位（D ₇ ～D ₀ ）是数据，高8位中低4位（D ₁₁ ～D ₈ ）为地址，其他标记为“X”的数据位没有意义。那这里的“地址”又代表着什么对象的地址呢？MAX7129芯片内部定义了一些寄存器，见表11.2所示。

表11.2传达的信息与图2.4是一样的：MAX7219中定义了一些寄存器及其所在的地址，这样就可以凭借地址来访问相应的寄存器。从表中可以看到，MAX7219内部定义了14个寄存器，它们都各自对应一个地址，所以给MAX7219发送的串行数据中的地址部分占4位就足够了。每一个地址都分别对应着一个8位寄存器，向某个地址写入数据，就意味着正在修改相应的寄存器数据。例如，地址0x1～0x8分别保存着DIG ₀ ～DIG ₇ 选通位对应的数码管段驱动数据，向地址0x01写入数据，就意味着正在修改DIG ₀ 位选通对应的段驱动数据。同样，向地址0x09写数据，就意味着正在修改译码模式。

MAX7219在正式显示数据前通常需要进行初始化，这与我们对74HC595芯片进行初始化的意义是完全一样的。从表11.2可以看到，除DIG ₀ ～DIG ₇ 对应的显示数据寄存器外，还可以控制译码模式（Decode Mode）、亮度（Intensity）、扫描限制（Scan Limit）、关闭模式（Shutdown）、显示测试（Display test）。为方便后续描述，在这里约定地址0x1～0x8对应为 数据寄存器 ，而其他地址对应 控制寄存器 。

先来看看一下译码模式。前面已经提过，往 数据寄存器 任意写入一个数据，对应位选通的数码管就会有相应的显示，那么 数据寄存器 中的8位数据分别对应数码管的哪些段呢？数据手册中肯定会提供这个信息，见表11.3。

表11.3从硬件实现层面就相当于存储了字型码的只读存储器（ROM），它的输入地址就是 数据寄存器 中的数据。例如，我们往地址0x01的 数据寄存器 写入0x3，当MAX7219扫描DIG ₀ 位对应的数码管时，就会在段驱动引脚G～A输出对应的共阴字型码0x4F（注意顺序）。也就是说，只要往 数据寄存器 中写入4位BCD码，数码管就可以显示相应的数字，很方便吧！

但是请稍微等一下，通过“往 数据寄存器 中写入4位BCD码”控制显示字符的前提是： 你已经开启了译码模式 。这样MAX7219就会使用表11.3所示的译码规则对 数据寄存器 进行译码，此时 数据寄存器 中的8位数据只有5位是有效的，低4位就是对应的BCD码，而最高位用来单独控制小数点（写1表示亮，写0表示不亮）。

虽然译码模式很方便，但是它只能驱动数码管显示有限的字符，如果需要显示一些自定义的字型码（或下一章将要提到的LED点阵），就不能选择译码模式了，此时 数据寄存器 中的每一位都对应驱动数码管的每一段，见表11.4。

从表中可以看到， 数据寄存器 与段驱动的对应关系与表4.1恰好是相反的（最高位是段A），这意味着表4.1所示的字型码不能直接使用，这一点在写入数据时特别要注意，而“是否开启对 数据寄存器 的译码模式”取决于译码模式寄存器，其中每一位都对应一个 数据寄存器 的译码开关，换句话说，每一个 数据寄存器 的译码模式可以单独控制，见表11.5。

表11.5传达了这样的信息：如果想对某一个 数据寄存器 进行译码，就应把相应的位置1，否则应置0。例如，向译码模式寄存器中写入0x01，就表示打开了第0位（DIG ₀ ）数据寄存器的译码模式，那么向地址0x01中写入的应该是BCD码，而往其他位 数据寄存器 写入的应该是字型码。

需要注意的是，表11.5只是举了4个应用例子说明怎么设置它，并不是说只有这4种情况。例如，可以向译码模式寄存器中写入0x07，表示打开了DIG ₀ ～DIG ₂ 对应 数据寄存器 的译码模式。 MAX7219上电后均处于非译码模式，我们使用8位数码管只是为了显示一些数字，为方便起见就打开了所有数字寄存器的译码模式，写入译码模式寄存器的数据应为“0xFF”，完整发送的16位串行数据应为“0x09FF” （最高4位无效，所以0x19FF、0x29FF、0x39FF等都可以）。

MAX7219也是以动态扫描的方式驱动数码管，只不过内部已经使用硬件实现扫描时序，我们只需要往 数据寄存器 写入数据即可。虽然MAX7219可以驱动最多8位数码管，但如果在实际应用中并没有连接那么多位，则可以通过 扫描限制寄存器 设置一下扫描位数，具体信息见表11.6。

例如，只连接了4位数码管，那么可以将扫描位数限制为4。当然，在硬件层面必须将这4位数码管的位选通与DIG ₀ ～DIG ₃ 连接，如果连到DIG ₄ ～DIG ₇ ，那就无法使数码管点亮。 MAX7219上电后仅显示DIG ₀ 位，我们驱动8位数码管则必须写入“0xX 7” （仅低4位有效，所以0x17、0x27、0x37等都可以）。

有人可能会说：按照动态扫描的驱动原理，我不限制扫描位数（也就是全部显示）也应该可以正常显示4位数码管吧？答案当然是肯定的！但是在相同的硬件电路条件下，限制扫描位数的设置会影响发光单元的亮度，这不得不提及另一个与亮度相关的寄存器。

前面已经提过，在帧率不变的前提下，控制每一位数码管的点亮时长可以调整数码管的显示亮度，它是通过PWM调节驱动信号的占空比。MAX7219中的亮度寄存器允许设置占空比，见表11.7。

例如，往亮度寄存器写入0x09，表示将占空比设置为19/32。设置占空比越大，相应的数码管就会越亮，当然，消耗的电流也会越大。 MAX7219上电后默认的亮度为最小（占空比最小），所以也必须对其进行初始化。

有人可能会问：为什么占空比的分母是32？它代表什么呢？问得好！在硬件实现层面，如果要产生一个32级可调的PWM时钟信号，这意味着我们需要一个比PWM信号频率至少高32倍的时钟源。例如，现在着手产生一个频率为100Hz且占空比32级可调的PWM信号，那么时钟源频率至少为32×100Hz=3.2kHz。时钟源的频率比我们需要的PWM信号频率越高，那么可以细分的占空比就会越多，如图11.2所示。

PWM信号的生成电路本质上就是计数器与比较器的结合。例如，我们要从时钟源1中获得占空比为8/32的PWM信号，就可以利用一个计数器对时钟源脉冲进行计数，当脉冲数不大于8时输出高电平，当脉冲数大于8且不大于32时就输出低电平，而当脉冲数大于32时就将计数器清零重新计数，这就是PWM信号产生的基本原理。

在 PWM信号频率相同 的条件下，时钟源频率越小则相应可调的占空比就会越少。例如，时钟源2比时钟源1的频率小4倍，那么从时钟源2可以得到最多8级可调的PWM信号。

MAX7219的时钟源频率是多少呢？我们看看表11.8所示的数据手册标注的电气参数。

产品数据手册标注的显示扫描速率（Display Scan Rate， f _OSC ）典型值为800Hz，它是在8位数码管显示条件下的扫描帧率，即1s内扫描了6400位数码管，所以6.4kHz就是PWM信号的频率。从表11.7可知占空比的最大调整级数为32，所以芯片内部振荡电路产生时钟源频率（至少）为6400×32=204.8kHz。每一级占空比调整的时间为1/204.8kHz≈4.9μs，换句话说，当占空比设置为31/32时，每一位数码管的显示时长约为31×4.9μs=151.9μs，扫描一帧（8位）所需要的时间为32×4.9μs×8≈1.25ms。

假设现在连接4位数码管，且限制扫描位数为4，因为PWM信号频率是不变的，所以帧率提升了1倍。也就是说，单位时间内流过数码管发光单元的平均电流就上升了，从而提升了发光亮度。前面我们提过，调整限流电阻可以调整流过数码管的工作电流，也可以达到调节亮度的目的，由于减小扫描位数会使平均亮度提升，如果要保持相同的亮度，得将限流电阻的阻值加大一些。

MAX7129还可以进入低功耗关闭模式，此时内部时钟源处于挂起状态，所有段驱动引脚都下拉到地，所有位选通引脚都上拉到电源，数码管将不会显示，芯片消耗的最大电流约为150μA，并且已经写入的数据不会受到影响。也就是说，如果从关闭模式退出进入到正常工作模式，显示的内容与进入关闭模式前并没有什么不同，见表11.9。

表11.9的意义是：如果对功耗有较高的要求，可以在适当的时候将 关闭模式寄存器 的最低位置0即可，而将最低位置1则可进入正常工作模式。 在显示时应该将其设置在正常工作模式，写入的数据应为“0x1”

需要特别注意的是， MAX7219上电后即处于低功耗模式 ，可以先对其他寄存器进行初始化，然后再进入正常工作模式即可，清单10.2所示源代码就是这么做的。

最后还有一个显示测试模式，它的作用与74LS47的试灯输入相似，相应的寄存器格式见表11.10。

在显示测试模式中，所有数码管的段都会点亮，而且8位数码管都会以最大亮度（最大占空比）显示。如果需要正常显示数据， 应该往显示测试寄存器中写入“0x0”。

MAX7219的内部功能框图有助于我们宏观了解芯片内部硬件结构，如图11.3所示。

从芯片设计层面，可以将数字逻辑分为两大块：其一，通过地址寄存器译码将16串行移位数据中的低8位数据载入不同的寄存器（8×8双端口RAM表示8个8位数据寄存器）；其二，对各个寄存器中的数据进行相应的功能设计，包括PWM亮度调节、扫描时序、字型码ROM，使用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）或CPLD（Complex Programming Logic Device，复杂可编程逻辑器件）能够很容易实现它们。当然，段驱动模块是一种 恒流源 模拟电路，可以通过比例型镜像电流源来实现，我们将会在第46章详细讨论。

VisualCom软件平台也有基于MAX7219的8位共阴数码管显示模组，数码管的连接线路与图10.2完全一样，相应的仿真效果如图11.4所示。

对于预置数据格式稍微复杂一些（例如需要对寄存器地址进行访问、包含指令与数据等）的仿真器件，“输出”窗口的信息栏会实时显示每一条预置数据的处理结果，如果预置的数据与分析出来的结果不一致，说明对如何正确控制该器件的理解并不到位。

预置的数据如图11.5所示。

该仿真器件的预置数据位序定义与表11.1完全一致，12位有效数据中的高4位为寄存器地址，低8位为具体的数据。我们的预置数据与清单10.2源代码中给MAX7219写入的数据是完全一样的。值得一提的是，当每次执行“单步运行”后，“内存窗口”中会实时显示MAX7219中所有寄存器的状态。 h2NvMqJHzJNR3XvDaNAQtFiExedg3h/G/ej1VEMJSEZPbAcsnIFluuwROd1/Tsyn