一文教你全面透彻使用MAX7219驱动8位LED数码管

  Hello，大家好，今天我们来讨论一下老掉牙但应用广泛的MAX7219（咱已然立誓，不是老掉牙的芯片坚决不讨论，哈哈，不要打我），它是一款可以驱动多位LED的芯片，已出版图书《显示器件应用分析精粹：从芯片架构到驱动程序设计》（以下简称“显示器件”）中也有详细介绍，本文主要结合仿真工具以另一种图文方式展现其工作效果，这样即便你并没有购买《显示器件》一书，也有机会窥探其工作原理。当然，图书的组织更讲究体系的完整，涉及的知识面相对较广而深，文章则以形象易读为要，所以图片相对会更多。另外，本文不涉及具体控制时序及代码相关的话题，我想也很少有人会在手机上看那么大段的代码，有兴趣可参考《显示器件》一书。
    MAX7219的硬件连接比较简单，除用于驱动LED的16个引脚外，ISET引脚可以设置LED的驱动电流值（因为MAX7219是恒流驱动形式）。也就是说，你只需要额外添加一个外围电阻即可使MAX7219正常工作，《显示器件》给出的电路类似如下图所示。需要特别注意的是，MAX7219只能驱动共阴（common-cathode）类型的数码管。

 

那怎么样才能让MAX7219驱动数码管显示想要的数据呢？几乎所有LED驱动芯片是相似的，我们肯定需要往芯片的某个存储区域写入一些数据。首先我们来明确单片机是如何控制MAX7219的，它是由时钟（CLK）、数据（DIN）、载入（LOAD）这3个引脚完成的串行通信来实现，每次传输16位数据（高位先行），相应的格式如下图所示。

 

可以看到，给MAX7219发送的16位数据中，低8位是具体的数据（DATA），而高8位为相应的地址（ADDRESS，仅低4位有效），所以其有效的寄存器最多只有16个（8位寄存器），所以我们接下来需要明确这16个寄存器各自的功能是什么。MAX7219内部存在14个寄存器（2个地址无效），总体来说可以分为数据寄存器与控制寄存器，前者决定LED数码管可以显示的内容（简单地说，你往里面写什么，LED数码管就会显示什么），后者则决定LED如何显示内容，具体如下图所示。

 

Digit0~~Digit7（地址为0x1~0x8，写成0xX1~0xX8是因为仅低4位有效）这8个寄存器分别对应多位数码管的每一位数字，在上面的仿真电路图中，Digit0对应最左侧位，Digit1对应左侧第二位，其它依此类推，下面为显示数字0~7的仿真效果。

 

现在的问题是：怎么样才能显示出这样的效果呢？往数据寄存器中写入BCD码还是字型码（代表每个段亮灭的数据）呢？这取决于译码模式（Decode Mode）寄存器，它的每一位（共8位）可以控制相应数据寄存器的译码模式，具体如下表所示。

 

例如，当设置译码模式寄存器的D0位为1时，表示Digit0数据寄存器中的数据会经过译码后驱动LED数码管（而不是直接输出），这样如果你需要最左侧显示“0”，则只需要往Digit0数据寄存器中写入0的BCD码即可（也就是0），具体的译码表如下所示。

 

如果你选择不译码，数据寄存器中的数据会直接输出以驱动LED数码管的每个段，那么同样显示数字“0”就得往相应的数据寄存器中写入0b1111110（0x7E）。也就是说，译码模式对于LED数码管非常方便，但是只能显示约定好的某些特定字符，对于需要驱动LED点阵模块的场合，通常还是会选择不译码。
当然，上面这个译码表成立的前提条件是，你必须按照预定义的连接方式将MAX7219与LED数码管连接，MAX7219约定的段与数据位的对应关系如下图所示，前面的仿真电路图也遵从此约定，这样可以避免将简单的问题复杂化。

 

需要注意的是，当你使用译码模式时，数据寄存器仅使用到了低4位，而最高位对应小数点控制位（1为亮，0为灭），下图是已经往Digit3与Digit4数据寄存器的最高位写入的1后的显示效果。

 

MAX7219还可以控制扫描的数码管位数，这是由扫描限制（Scan-Limit）寄存器完成的。与译码模式控制寄存器有所不同的是，你需要往其中输入限制位数的BCD码（而并非每一位数据寄存器对应控制扫描与否，这也就意味着，扫描位数只能是连续的，你不能异想天开地只企图扫描第1、3、5位）。例如，当你往其中写入0时，表示仅扫描第0位对应的数码管（其它数码管不会亮，即便你已经往其中写入了数据），当你往其中写入4时，则表示第0、1、2、3、4位都会扫描，而5、6、7位不扫描（不会亮），相应的表格如图所示：

 

下图是限制扫描位数为

4的显示效果。

 

当然，想要让MAX7219正常显示，显示测试（Display Test）与关闭（Shutdown）寄存器也必须得进行合理设置。显示测试寄存器主要用于测试，当其最低位为1时，表示进入测试模式，此时所有数码管都会亮起来（即显示8.8.8.8.8.8.8.8.），这样你就可以判断芯片驱动是否正常，数码管是否存在无法点亮的段等情况。在正常工作（Normal Operation）时，应该将其最低位置0，如下表所示：

 

关闭寄存器可以控制是否输出。在关闭模式下，MAX7219内部时钟源处于挂起状态，所有段驱动引脚（Seg A,B,C,…）都下拉到地，所有位选通引脚（DIG0~7）都上拉到电源，此时所有数码管都不会显示，具体如下表所示。

 

 

下图为限制低4位扫描时依次发送的数据。首先发送“F00”表示往显示测试寄存器（地址为0xF）中写入0，将最低位清零也就进入了正常工作模式。然后往译码模式寄存器（地址为0x9）中写入“9FF”，表示进行全8位译码，因为我们驱动的是LED数码管。接下来的“B03”表示限制扫描位数为0、1、2、3，所以最右侧4位是不会显示的。

 

“A0F”通过往亮度（Intensity）寄存器中写入数据以达到控制LED显示亮度的目的，本质上是通过控制PWM来实现的，受限于篇幅不再讨论，因为即便你不往其中写入数据，MAX7219也存在一个默认的亮度，有兴趣的读者可参考《显示器件》一书。
紧接着往关闭寄存器（地址为0xC）中发送“C01”，将最低位置1即可进入正常工作模式，此后，数据寄存器中的数据将会被显示出来。当然，到目前为止，我们还没有往数据寄存器中写入任何内容，本例中依次往地址0x1~0x8中写入0~7的BDC码即可，值得一提的是，Digit3与Digit4数据寄存器的最高位被置1，表示显示小数点，但由于前面已经限制了扫描位数，所以你只看得到一个小数点。