基于SPI的MAX7221與MCU連接

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(chǔ)器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷、LCD驅(qū)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(qiáng)，很多新推出的芯片都增加了對(duì)它的支持。
SPI以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)，使用4根信號(hào)線(xiàn)：主機(jī)輸出／從機(jī)輸入(MOSI)、主機(jī)輸入／主機(jī)輸出(MISO)、串行時(shí)鐘SCLK和外設(shè)片選(SS)。典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SPI通信連接如圖1所示。

SPI與UART的一個(gè)重要的區(qū)別就是它是一個(gè)同步通信協(xié)議。主機(jī)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(hào)，所有的數(shù)據(jù)傳輸都按照這個(gè)同步時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行。主機(jī)和從機(jī)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(jī)維持SS為高電平，SCLK無(wú)信號(hào)；進(jìn)行傳輸時(shí)，主機(jī)首先將SS引腳拉低作為從機(jī)的片選信號(hào)，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(shù)據(jù)就按照這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的MOSI引腳移出，移入到從機(jī)的MISO引腳；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MOSI引腳移出，移人到主機(jī)的MI-SO引腳；傳輸結(jié)束后，主機(jī)將SS拉高。有多個(gè)從機(jī)時(shí)，主機(jī)的SS信號(hào)可以與從機(jī)的片選邏輯進(jìn)行組合，沒(méi)有被選中的從機(jī)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(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，單片最多可驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管。它包含有七段譯碼器、位和段驅(qū)動(dòng)器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)器、亮度脈寬調(diào)節(jié)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(jí)聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)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(shù)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(yàn)MCU選用ATmega128，它是一種基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(shù)指令均為單周期指令，自帶128 KB的FLASH，可以通過(guò)SPI，JTAG、引導(dǎo)程序等多種方式多次編程，支持系統(tǒng)編程及調(diào)試。ATmega128的SPI接口最高工作頻率為主頻的50％，可達(dá)8 MHz(與MAX7221SPI口的速率上限相當(dāng))。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(jí)聯(lián)MAX7221通過(guò)SPI與ATmega128連接的電路圖。該系統(tǒng)最多可以驅(qū)動(dòng)32位數(shù)碼管。由于數(shù)據(jù)是單向傳輸，因此將ATmega128配置為主機(jī)，MAX7221配置為從機(jī)，可以省略從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的線(xiàn)路。在這種級(jí)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?shù)臄?shù)據(jù)前增加空操作指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

例如，要向第二級(jí)的MAX7221傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)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(shù)據(jù)。要向第三級(jí)的MAX7221傳輸數(shù)據(jù)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(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)不是8的整數(shù)倍的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器，必須要為各個(gè)MAX7221分配平均的掃描位數(shù)。
例如，如果需要12位數(shù)碼管顯示，那么采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)MAX7221驅(qū)動(dòng)6個(gè)數(shù)碼管；如果需要11位數(shù)碼管顯示，那么一級(jí)驅(qū)動(dòng)6個(gè)，一級(jí)驅(qū)動(dòng)5個(gè)，但掃描限位仍然都設(shè)定為6，只將其中一個(gè)空接。這么做是因?yàn)镸AX7221對(duì)8位數(shù)碼管的掃描能力是一定的，在相同亮度的等級(jí)下需要進(jìn)行掃描的數(shù)碼管個(gè)數(shù)越多，數(shù)碼管看上去就越暗。如果各級(jí)MAX7221設(shè)定的掃描限位不一致，盡管設(shè)定了相同的亮度等級(jí)，實(shí)際顯示的亮度也會(huì)有所差別。

4 軟件設(shè)計(jì)
圖3是MAX7221的SPI傳輸時(shí)序圖。
根據(jù)MAX7221的SPI時(shí)序圖及寄存器地址表，可以編制出相應(yīng)的ATmega128 SPI子程序。SPI_init()用于初始化ATmega128的SPI口，設(shè)定時(shí)鐘極性和頻率等參數(shù)；SPI_transmit()用于在時(shí)序到來(lái)時(shí)連續(xù)傳輸16位數(shù)據(jù)；MAX7221_transmit()用于總體完成從CS被拉低到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的全過(guò)程，并將級(jí)聯(lián)情況也考慮了進(jìn)去。