基于SPI的MAX7221與MCU連接
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在儀器儀表的設計制作中常要用到數碼管顯示，有時(shí)數碼管的數量還會(huì )很多。如果為每個(gè)數碼管都單獨設計驅動(dòng)電路，一方面對MCU來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(dòng)8位數碼管，并且可以進(jìn)行級聯(lián)擴展，對于這個(gè)問(wèn)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；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(guò)串行外設接口(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10 Mb／s。
1 SPI原理
SPI是一種由Motorola公司開(kāi)發(fā)的高速、全雙工、同步串行通信接口。MCU通過(guò)它可以方便地連接到存儲器、A／D轉換器、D／A轉換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷、LCD驅動(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，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(gè)主機和一個(gè)或多個(gè)從機，使用4根信號線(xiàn)：主機輸出／從機輸入(MOSI)、主機輸入／主機輸出(MISO)、串行時(shí)鐘SCLK和外設片選(SS)。典型的點(diǎn)對點(diǎn)SPI通信連接如圖1所示。
SPI與UART的一個(gè)重要的區別就是它是一個(gè)同步通信協(xié)議。主機中有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，可以在SCLK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘信號，所有的數據傳輸都按照這個(gè)同步時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行。主機和從機各有兩個(gè)移位寄存器分布在各自MOSI及MISO引腳，具體的傳輸過(guò)程就是由這幾個(gè)移位寄存器來(lái)完成的。以SS低電平有效為例，平時(shí)，主機維持SS為高電平，SCLK無(wú)信號；進(jìn)行傳輸時(shí)，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(chǎn)生同步時(shí)鐘，需要發(fā)送或接收的數據就按照這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入相應的移位寄存器。主機的數據從主機的MOSI引腳移出，移入到從機的MISO引腳；從機的數據從從機的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(gè)從機時(shí)，主機的SS信號可以與從機的片選邏輯進(jìn)行組合，沒(méi)有被選中的從機將不會(huì )參與SPI傳輸。
2 器件介紹
2．1 MAX7221
MAX7221是一款串行接口的數碼管顯示驅動(dòng)器，單片最多可驅動(dòng)8位數碼管。它包含有七段譯碼器、位和段驅動(dòng)器、多路掃描器、段驅動(dòng)電流調節器、亮度脈寬調節器及多個(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(guò)級聯(lián)進(jìn)行擴展。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MCU選用ATmega128，它是一種基于A(yíng)VR 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(jìn)的指令集，絕大多數指令均為單周期指令，自帶128 KB的FLASH，可以通過(guò)SPI，JTAG、引導程序等多種方式多次編程，支持系統編程及調試。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(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片級聯(lián)MAX7221通過(guò)SPI與ATmega128連接的電路圖。該系統最多可以驅動(dòng)32位數碼管。由于數據是單向傳輸，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據的線(xiàn)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(guò)在要傳輸的數據前增加空操作指令來(lái)實(shí)現的。
例如，要向第二級的MAX7221傳輸數據，應當在時(shí)序到來(lái)之后首先傳輸一個(gè)空操作指令(0X0000)，然后再傳輸數據。要向第三級的MAX7221傳輸數據時(shí)，要先傳輸兩個(gè)空操作指令，以此類(lèi)推。值得一提的是，如果要用這種級聯(lián)方式設計個(gè)數不是8的整數倍的數碼管顯示驅動(dòng)器，必須要為各個(gè)MAX7221分配平均的掃描位數。
例如，如果需要12位數碼管顯示，那么采用兩級級聯(lián)驅動(dòng)，每個(gè)MAX7221驅動(dòng)6個(gè)數碼管；如果需要11位數碼管顯示，那么一級驅動(dòng)6個(gè)，一級驅動(dòng)5個(gè)，但掃描限位仍然都設定為6，只將其中一個(gè)空接。這么做是因為MAX7221對8位數碼管的掃描能力是一定的，在相同亮度的等級下需要進(jìn)行掃描的數碼管個(gè)數越多，數碼管看上去就越暗。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(shí)際顯示的亮度也會(huì )有所差別。
4 軟件設計
圖3是MAX7221的SPI傳輸時(shí)序圖。
根據MAX7221的SPI時(shí)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(shí)鐘極性和頻率等參數；SPI_transmit()用于在時(shí)序到來(lái)時(shí)連續傳輸16位數據；MAX7221_transmit()用于總體完成從CS被拉低到數據傳輸結束的全過(guò)程，并將級聯(lián)情況也考慮了進(jìn)去。
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