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树莓派GPIO入门09-使用MAX7219芯片驱动8位数码管

电子工程师 2019-04-02 2649

嵌入式技术

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描述


前面几篇我们学习了如何利用一片或多片级联的74HC595芯片来驱动显示数码管的方法。最开始我们提出的两个问题：

  • 占用IO口过多
  • 做动态扫描时占用CPU资源太多导致显示不稳定

    • 第一个问题已经利用级联的74HC595解决了。（不管驱动几只数码管，只用3个IO即可）
    但第二个问题依然存在，树莓派仍然需要不停地访问IO口进行动态扫描。
    好，既然动态扫描占用CPU资源太多，那这活儿咱包出去让别人干不就行了？这就是本文主角MAX7219的特长，动态扫描这活儿MAX7219全包了，干的还比咱自己干得还好，一片MAX7219可最多支持显示8位8段数码管，还支持各种设置如亮度设置扫描位数设置等。而我们只用告诉它显示的内容就行了。

    最终效果

    视频演示

    硬件

    • MAX7219显示芯片 X 1（2到3元一个）
      MAX7219
    • 共阴（共阳不可以）4位数码管 X 2
    • 10k电阻一只
    • 10uF电容一只
    • 0.1uF电容一只
      硬件图

    原理说明 未完TODO

    注：下面这些图都是从MAX7219官方资料里截取出来的，官方资料文末提供下载

    • 先看一下MAX7219的引脚图：
      MAX7219的引脚图
      MAX7219一共有24根引脚，这里面有一些跟74HC595的引脚功能类似的引脚如下：
    MAX721974HC595功能DINDS串行输入SEG A-G,DPQ0-Q7数码管段数据输出CLKSHCP串行移位寄存器时钟LOADSTCP内部寄存器锁存时钟DOUTQ7S串行输出，级联多块芯片时使用

    可以看出，MAX7219跟74HC595一样也是通过DIN引脚串行输入数据，在CLK引脚的上升沿移入移位寄存器，在LOAD引脚的上升沿将位移寄存器的数据复制到内部的各种寄存器里。不同的是:

  • 74HC595的移位寄存器是8位的，而MAX7219的移位寄存器是16位的，每次串行输入数据需要连续输入16位数据。
  • 74HC595内部只有1个8位的锁存器，功能很简单，只是原样输出到8根输出引脚。而MAX7219内部有好几个不同功能的寄存器。后面我会逐个说明。

    • 我们再看一下官方文档里关于各引脚的功能说明：
      MAX7219各引脚的功能说明
      上面提过的不再赘述，说一下MAX7219特有的引脚。

    • DIG0-DIG7这8个引脚作为位选端，分别连到8位数码管的共阴极，MAX7219在做动态扫描时会依次向共阴极DIG0-DIG7输出低电平，所以MAX7219不能驱动共阳极的数码管。其实也不是绝对不能，将位选端和段选端逆接就可以了，不过这样做的话，有3个弊端：
      • 不能使用MAX7219内部的译码功能，需要自己编写数字的字形码。增加了代码的复杂度。
      • 需要以段单位来传输数据，而不能以位单位来传输数据。（即每次传输的是各位数码管的某一段的数据，而不是某位数码管各段的数据。第一次传所有数码管的A段数据，第二次传所有数码管的B段数据一直到8段数据全部传完）无疑进一步增加了代码的复杂度。
      • 无法限制扫描位数，只能所有8位数码管同时扫描。（变成了限制扫描段数，如可以只显示所有数码管的A-C段。。。）
    • ISET通过一只电阻连上VCC，通过调整这只电阻的阻值可以调整通过这只电阻的电流I，而最后输出到数码管上的最大电流就是这个电流I的100倍。如果这只电阻太小，导致输出到数码管的电流过大会烧坏数码管，所以官方文档里推荐这只电阻最小应该设置为9.7K欧，我手头上只有10K的电阻也是一样，只要别低于这个阻值就可以了。根据这个原理我们也可以接一个可调电阻在ISET上，可以随时调整数码管亮度。这种调整亮度的方法是通过模拟信号调制。MAX7219也支持通过数字信号来设置亮度（有16级亮度可调）。

    • MAX7219内部的各模块的示意图：
      MAX7219内部的各模块的示意图
      最下面是一个16位的移位寄存器D0-D15，跟74HC595一样，通过DIN引脚串行输入数据，在CLK引脚的上升沿移入移位寄存器。
      D8-D11这4位数据用来指定内部寄存器地址。D0-D7是具体要传到寄存器里的数据。
      上面的图看上去有点复杂，其实简单地说就是我们每次要串行传输16位数据进去，然后在LOAD的上升沿，根据D8-D11指定的寄存器地址，将D0-D7存放在指定的寄存器里。这样多次传输数据就可以给所有的寄存器设值了。
      下面是MAX7219内部的寄存器一览：

      • 关断寄存器
      • 译码模式寄存器
      • 亮度寄存器
      • 扫描限值寄存器

      • 显示器测试寄存器

        每个寄存器都有自己特殊的功能，后面我们会逐一介绍。

    • 串行传输时的数据格式如下：
      MAX7219串行数据格式
      你可能注意到了这幅图的顺序跟模块示意图里移位寄存器的顺序是相反的。
      D15-D0这个反向的顺序是你写代码时串行传输数据时的顺序，先传D15的数据，再传D14,D13…D0，这样传输完成后。实际的数据顺序就变成了D0,D1,D2…D15。为了便于编码，除了模块示意图是按实际顺序记载的，后面所有数据格式的示意图都是倒序记载的。

    • 各寄存器地址如下：
      MAX7219寄存器地址

    • 关断寄存器的数据格式：
      MAX7219关断寄存器的数据格式

    • 译码模式寄存器的数据格式：
      MAX7219译码模式寄存器的数据格式

    • 译码模式下的原码和译码的对应表：
      MAX7219译码模式下的原码和译码的对应表

    • 非译码模式下的数据和数码管各段的对应表：
      MAX7219非译码模式下的数据和数码管各段的对应表

    • 亮度寄存器的数据格式：
      MAX7219亮度寄存器的数据格式

    • 扫描限值寄存器的数据格式：
      MAX7219扫描限值寄存器的数据格式

    • 显示器测试寄存器的数据格式：
      MAX7219显示器测试寄存器的数据格式

    硬件连接TODO

    模块1引脚模块2引脚MAX7219DIN树莓派GPIO13MAX7219LOAD树莓派GPIO26MAX7219CLK树莓派GPIO19MAX7219GNDX2树莓派GNDMAX7219V+树莓派5VMAX7219ISET树莓派5V(需串联一只10k电阻)MAX7219DIG0数码管1DIG1(引脚12)MAX7219DIG1数码管1DIG2(引脚9)MAX7219DIG2数码管1DIG3(引脚8)MAX7219DIG3数码管1DIG4(引脚6)MAX7219DIG4数码管2DIG1(引脚12)MAX7219DIG5数码管2DIG2(引脚9)MAX7219DIG6数码管2DIG3(引脚8)MAX7219DIG7数码管2DIG4(引脚6)MAX7219SEG DP数码管1/2DPMAX7219SEG G数码管1/2GMAX7219SEG F数码管1/2FMAX7219SEG E数码管1/2EMAX7219SEG D数码管1/2DMAX7219SEG C数码管1/2CMAX7219SEG B数码管1/2BMAX7219SEG A数码管1/2AMAX7219DOUT(级联用)(不使用)10/0.1uF电容正极MAX7219V+10/0.1uF电容负极MAX7219GND

    代码（Python）

    123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179

    #!/usr/bin/env python# encoding: utf-8import RPi.GPIOimport time# 串行数据输入DIN = 13# 时钟脉冲信号——上升沿有效LOAD = 26# 打入信号————上升沿有效CLK = 19RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)RPi.GPIO.setup(DIN, RPi.GPIO.OUT)RPi.GPIO.setup(LOAD, RPi.GPIO.OUT)RPi.GPIO.setup(CLK, RPi.GPIO.OUT)# 传输一个8位数def setByte(byteData):for bit in range(0,8):# 传入的数字从高位到低位依次判断是否为1，若为1则设置高电平，否则设置低电平# 判断的方法是先向左移位，把要判断的位移动到最高位然后跟0x80（1000 0000）相与，# 如果结果仍然是0x80（1000 0000）就表示最高位是1，否则最高位就是0if ((byteData<0x80 == 0x80):setBitData(True)else:setBitData(False)# 译码模式设置def setDecodeMode(mode = 4):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址设置：0xX9# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,0,1setByte(0x09)if (mode == 1) :# 所有数码管均不使用译码功能# 指令代码: 0x00setByte(0x00)elif (mode == 2) :# 只对DIG0号数码管进行译码，其他数码管不使用译码功能# 指令代码: 0x01setByte(0x01)elif (mode == 3) :# 对DIG0-3号数码管进行译码，其他数码管不使用译码功能# 指令代码: 0x0FsetByte(0x0f)elif (mode == 4) :# 数码管7－0全部采用译码模式# 指令代码: 0xFFsetByte(0xff)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 亮度设置def setIntensity(mode = 8):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址设置：0xXA# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,1,0setByte(0x0A)# 亮度从0到15共16个等级，指令的D3－D0就是数字0－15的二进制编码# D7-D4:任意setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 扫描显示位数设置(0-7)def setScanLimit(mode = 7):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址设置：0xXB# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,1,1setByte(0x0B)# 扫描位数可设置0－7共8种选择，指令的D2－D0就是数字0－7的二进制编码# D7-D3:任意# D2-D0:0-7的3位二进制编码setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 关断模式设置# mode: 1: 正常运行模式# mode: 0: 关断模式def setShutdownMode(mode = 1):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址设置：0xXC# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,1,0,0setByte(0x0C)# 关断模式可设置0－1共2种选择，设置D0即可# D7-D1:任意# D0:1: 正常运行模式 0: 关断模式setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 测试模式设置# mode=0: 正常运行模式# mode=1: 测试模式(全亮模式)def setDisplayTestMode(mode = 0):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址设置：0xXF# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,1,1,1setByte(0x0f)# 测试模式可设置0－1共2种选择，设置D0即可# D7-D1:任意# D0:0: 正常运行模式 1: 测试模式(全亮模式)setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 指定no(1-8)号数码管显示数字num(0-9)，第三个参数是显示不显示小数点（true/false）def showDigit(no, num, showDotPoint):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 设置指令寄存器地址：0xX1-0xX8# 格式：D15-D12:任意（我们这里设置0）# D11-D8: 1-8的4位二进制编码：例：1（0,0,0,1）setByte(no)# 设置显示内容# 格式：D7:显示小数点（1点亮）# D6-D4:任意（我们这里设置0）# D3-D0:数字0-9的4位二进制编码：例：2（0,0,1,0）if (showDotPoint):# 如果显示小数点则需要将数字的最高位（D7）设置为1(最高位跟1相或)setByte(num | 0x80)else:setByte(num)RPi.GPIO.output(LOAD, True)def setBitData(data):RPi.GPIO.output(CLK, False)RPi.GPIO.output(DIN, data)RPi.GPIO.output(CLK, True)try:# 测试代码，亮度使用最低亮度，显示从0开始递增的数字。setShutdownMode()setDecodeMode()setIntensity(0)setScanLimit()setDisplayTestMode()n=0while True:n=n+1showDigit(8, int(n)%10, False)showDigit(7, int(n/10)%10, False)showDigit(6, int(n/100)%10, False)showDigit(5, int(n/1000)%10, False)showDigit(4, int(n/10000)%10, False)showDigit(3, int(n/100000)%10, False)showDigit(2, int(n/1000000)%10, False)showDigit(1, int(n/10000000)%10, False)time.sleep(0.01)except KeyboardInterrupt:pass# 清理GPIO口RPi.GPIO.cleanup()




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