串行顯示驅(qū)動(dòng)器PS7219及單片機(jī)的SPI接口設(shè)計(jì)

0　引　言
    在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，為了便于人們觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況，常常需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果及狀態(tài)等等。因此顯示器往往是單片機(jī)系統(tǒng)必不可少的外部設(shè)備之一。常用的顯示器有很多種，其中LED（發(fā)光二極管顯示器）是應(yīng)用較多的一種，它特別適用于強(qiáng)光和光線極弱的場(chǎng)合。

　　要使LED顯示，必須提供段選碼和位選碼。傳統(tǒng)的硬件譯碼顯示接口廣泛采用由中央處理器CPU（如：Intel 8031）擴(kuò)展I／O口（如：8255），然后再使用邏輯門驅(qū)動(dòng)芯片（如7407等）驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的位碼和段碼。這種設(shè)計(jì)，芯片間連線十分復(fù)雜，系統(tǒng)工作可靠性不高，已越來(lái)越不適應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)集成化、小型化的發(fā)展要求。特別是系統(tǒng)并行擴(kuò)展I／O，其缺點(diǎn)十分明顯：

　?。?）連線太多，系統(tǒng)連線復(fù)雜，印制板布線不方便；

　　（2）并行總線上掛靠的器件太多，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性低；

　?。?）體積較大，集成度不高。

　　正是由于上述原因，近年來(lái)，各廠家相繼開發(fā)出了集成度較高、驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)位數(shù)較多、功能齊全的LED顯示驅(qū)動(dòng)器。

　　本文介紹一種低價(jià)位、高性能的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器PS7219芯片，以及它與單片機(jī)89C51具體的SPI接口設(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件。

1　PS7219簡(jiǎn)介
    PS7219是一種新型的串行接口的8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片。它是由武漢力源公司新推出的24腳雙列直插式芯片，采用流行的同步串行外設(shè)接口（SPI），可與任何一種單片機(jī)方便接口，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED（或64只獨(dú)立LED），其引腳圖如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　
　　PS7219內(nèi)部具有15×8RAM功能控制寄存器，可方便選址，對(duì)每位數(shù)字可單獨(dú)控制、刷新、不需重寫整個(gè)顯示器。顯示數(shù)字亮度可由數(shù)字進(jìn)行控制，每位具有閃爍使能控制位。當(dāng)引腳CON（13腳）置高電平，可禁止所有顯示，達(dá)到降低功耗的效果，但同時(shí)并不影響對(duì)控制寄存器的修改。PS7219還有一個(gè)掉電模式、一個(gè)允許用戶從1位數(shù)顯示到8位數(shù)顯示選擇的掃描界限寄存器和一個(gè)強(qiáng)迫所有LED接通的測(cè)試模式。另外，PS7219A型內(nèi)置一個(gè)可靠的uP監(jiān)控電路，可為外部提供一個(gè)脈寬140ms，觸發(fā)門限典型值為4．63V的高電平復(fù)位信號(hào)。

　　如果N個(gè)PS7219級(jí)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)N×8位LED顯示。

2　PS7219引腳功能
    PS7219引腳功能如表1所示。

3　 PS7219工作過程
    圖2為PS7219工作時(shí)序圖。由圖2可行，DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端，在CLK的上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位移位寄存器中，CLK端最高輸入頻率可達(dá)500kHz，在輸入時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)上升沿，均有1位數(shù)據(jù)由DIN移入到內(nèi)部寄存器中，LOAD用來(lái)裝載數(shù)據(jù)，在LOAD的上升沿，16位串行輸入數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)字或控制寄存器中。LOAD必須在第16個(gè)時(shí)鐘上升沿的同時(shí)或之后，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變高，否則數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。

　　規(guī)定一組數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)包，其格式如下：

　　　　　　　 

　　其中D15～D12位不用，D11～D8為內(nèi)部5個(gè)控制寄存器和8個(gè)LED顯示數(shù)據(jù)寄存器的地址，地址編碼如表2。D7～D0為5個(gè)控制寄存器命令字或8個(gè)LED數(shù)碼管待顯示的數(shù)據(jù)。因?yàn)榭刂萍拇嫫髋c顯示數(shù)據(jù)寄存器均獨(dú)立編址，所以可以通過程序單獨(dú)對(duì)每個(gè)寄存器進(jìn)行操作。一般情況下，程序先送控制命令，后向顯示寄存器送數(shù)據(jù)，但必須注意，每16位為一組，從高位地址節(jié)最高位開始送起，直到低位數(shù)據(jù)字最后一位為止。

　　　　　　

　　PS7219按5個(gè)控制寄存器規(guī)定的方向?qū)Υ@示的數(shù)字自動(dòng)掃描顯示，所以有必要對(duì)各控制寄存器的功能有所了解，現(xiàn)分述如下：

　?。?）譯碼方式寄存器：對(duì)每個(gè)數(shù)字設(shè)置BCD碼B（0～9、E、H、L、P和－）或非代碼操作。寄存器中的每一位與一個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)。邏輯高電平選擇代碼BCD譯碼，而低電平選擇旁路譯碼器。

　?。?）顯示亮度寄存器：其中D7～D4位可任意，而D3～D0可選擇0000～1111。D3～D0的值越大，LED顯示器越亮。

　?。?）掃描范圍寄存器：其掃描范圍寄存器設(shè)置所顯示數(shù)據(jù)的多少，可從1至8。它們一般以掃描速率1．5kHz、8位數(shù)據(jù)、多路復(fù)用方式顯示。

　?。?）掉電控制寄存器：其中D7～D1位可任意，D0＝0，關(guān)閉所有顯示器；D0＝1，允許顯示。

　?。?）顯示測(cè)試寄存器：其中D7～D1位可任意；D0＝00，LED處于正常工作狀態(tài)；D0＝1，允許顯示。LED處于顯示測(cè)試狀態(tài)。

　　在送完控制字后，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用顯示子程序，改變1～8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，完成顯示功能。

4　SPI接口
    SPI是同步串行外設(shè)接口，主要用于與各種外圍器件以串行方式進(jìn)行通訊、交換信息。這些外圍器件可以是簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器、或是復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器或A／D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。SPI接口很容易與許多廠家的各種外圍器件直接相連。

　　它使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出線（MISO）、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入線（MOSI）、低電平有效的使能信號(hào)線（CS———）。如圖3所示。這樣，僅需3－4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I／O器件。其典型結(jié)構(gòu)如圖3。

 

5　接口設(shè)計(jì)

5．1　硬件設(shè)計(jì)
    PS7219的SPI接口是一個(gè)高速的同步串行I／O口，它允許1～8位的串行比特流以特定的傳輸速率移進(jìn)移出芯片。但這要求微處理器帶有SPI接口能力。對(duì)不帶SPI或相同接口能力的微處理器，需用軟件合成SPI操作來(lái)和PS7219接口，這里筆者以目前應(yīng)用廣泛的AT89C51為例，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，接口電路圖見圖4所示。

　　這里，89C51的P1．6作串行數(shù)據(jù)輸出，連接到PS7219的DIN腳，P1．7和P1．5通過程序分別模擬PS7219的時(shí)鐘脈沖CLK及數(shù)據(jù)加載LOAD信號(hào)。PS7219的SA～SG、SDP端連接到各LED數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的a～f及dp端，DIG0～DIG3分別接4位LED數(shù)碼管的共陰極，以實(shí)現(xiàn)位選。另外，選用XICOR公司的X25045作為看門狗監(jiān)控電路。

　　實(shí)際上，數(shù)碼管的位數(shù)可在1～8位之間任意選擇，這可由寫入的掃描界線寄存器的命令字決定。注意，為了使由峰值數(shù)字驅(qū)動(dòng)器電流引起的紋波減到最小，需要在V＋和GND之間盡可能靠近芯片的地方外接一個(gè)10μF的電解電容和一個(gè)0．1μF的瓷片電容。PS7219應(yīng)放在緊靠LED顯示器的地方，且連線盡可能短，兩個(gè)GND引腳都必須連接到地線上。

　　PS7219只需一組＋5V電源和89C51的三個(gè)輸出口，且無(wú)附加電路，可驅(qū)動(dòng)1～8個(gè)LED顯示器，顯示亮度可調(diào)，工作可靠。

5．2　軟件編程
    在89C51的程序存儲(chǔ)器區(qū)開辟一些存儲(chǔ)單元，專門用來(lái)定義控制命令字，這些命令字的具體數(shù)值根據(jù)你要選擇的工作方式、顯示內(nèi)容、顯示位數(shù)等等來(lái)定義。

　　由于PS7219的控制寄存器和顯示寄存器均獨(dú)立編址，顯示程序?qū)嶋H上就是89C51在P1．7（CLK），P1．5（LOAD）時(shí)序的配合下不斷通過P1．6（DIN）向PS7219的相應(yīng)控制寄存器和數(shù)據(jù)顯示寄存器寫入16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)包的過程。所以問題的關(guān)鍵在于編寫一個(gè)通用的寫入子程序，將VWO的內(nèi)容從高位到低位在P1．7（CLK）的作用下依次移入移位寄存器，最后由P1．5的上升沿（LOAD信號(hào)）鎖存到相應(yīng)的內(nèi)部控制寄存器和數(shù)據(jù)顯示寄存器中去。寫入子程序的程序流程圖如圖5所示。

　　無(wú)論初始化PS7219的控制寄存器，還是在相應(yīng)的數(shù)碼管顯示數(shù)字，均可通過調(diào)用上述通用寫入子程序完成。

　　　　　　　　　　　

參考文獻(xiàn)
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3　潘天紅．SPI串行總線與單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)．測(cè)控技術(shù)，2001．2
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