单片机系统中LED显示驱动电路的研究

时间：2007-09-24

　　摘要：本文对比了单片机系统中LED显示驱动电路的几种实现方案，着重介绍了LED显示驱动芯片MAX7219 的工作原理和使用方法，给出了一个用MAX7219驱动8位LED显示系统的应用实例。
　　关键词：LED 显示驱动；MAX7219；单片机
　　近年来，单片机系统以其体积小、功能强、扩展灵活、使用方便等优点，逐渐渗透到各行业的工程实际应用中。而LED显示电路就像单片机系统的眼睛，实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。因此，高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。常用的LED显示驱动电路有并行译码方式、串行—并行转换方式、显示驱动接口芯片方式等。下面分别对这几种方式进行讨论，并给出显示驱动芯片MAX7219的应用实例。
并行译码显示方式
　　图1为单片机89C2051输出显示的一个例子，4位BCD码数据从其P1.0～P1.3并行输出，经7段LED显示驱动电路CD4511译码后驱动LED显示，这样只需向P1.0～P1.3 写入欲显示数字的BCD码，即可显示出相应的数字。这种方式虽然简单，但占用单片机口线较多，资源利用率低，因此不常采用。

图1　并行译码显示方式
串行- 并行转换方式

　　图2所示为89C2051的串口驱动数码管的电路，其中串口工作在方式0，74LS164是8位串入并出移位寄存器，负责将RXD输出的串行数据转换成并行信号。显然，这种方式显示同样的位数使用单片机的口线大大减少，并且可以让LED显示BCD码以外的字符(如A、B、C、D 等)，但是，当要显示的位数较多时，仍需占用较多的口线，并且在许多情况下需要串口工作在UART方式，以便进行串行通信，从而限制了这种方式的使用范围。

图2　并行译码显示方式
        LED显示驱动芯片
　　随着单片机技术的发展，许多公司都推出了专用LED显示驱动芯片，如Microchip公司的A Y0438、Maxim公司的MAX7219等都是其中的典型代表。下面以MAX7219为例说明LED显示驱动芯片在单片机系统中的应用。
        MAX7219简介
       MAX7219是Maxim公司推出的8位LED串行显示驱动器，它采用3线串口传送数据，占用资源少且硬件简单，只需一个外部电阻即可方便地调节LED的亮度；可灵活地选择显示器的个数( 1～8个, 级联可成倍增加)；可进行译码或不译码显示；内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。
        引脚功能和工作原理
　　MAX7219采用24脚双列直插式封装，其引脚如图3所示。SEGA～SEGG和DP分别为LED七段驱动器线和小数点线，供给显示器源电流；DIG0～DIG7为8位数字驱动线，输出位选信号，从每位LED共阴极吸入电流。

图3MAX7219 引脚功能
DIN是串行数据输入端。在CLK 的上升沿，一位数据被加载到内部16位移位寄存器中，CLK频率可达10MHz，在输入时钟的每个上升沿均有一位数据由DIN端移入到内部寄存器中；LOAD用来装载数据，在LOAD的上升沿，16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中，LOAD必须在第16个时钟上升沿的同时或之后、在下一个时钟上升沿之前变高, 否则数据将被丢失。每组数据为16 位二进制数据包，其格式如表1所示。
其中D15～D12位不用，D11～D8位为内部5个控制寄存器和8个LED显示数据寄存器的地址，D7～D0位为5个控制寄存器和8个LED数码管待显示的数据，因为控制寄存器与显示数据寄存器独立编址，所以可以通过程序对每个寄存器进行操作。一般情况下，程序先送控制命令，后向显示寄存器送数据，每16 位为一组，从高位地址字节位开始送，直到低位数据字节一位。MAX7219内部有14个可寻址的控制字寄存器，各寄存器的功能及地址如表2所示。

　　其中，地址×0H 为空操作寄存器，允许数据从输入到输出直接通过，可用于设备串接。地址×1H～×8H为显示RAM区，分别对应DIG0～DIG7引脚的8 位LED显示数据。地址×9H为译码模式寄存器，其8 位二进制数分别控制着8个LED显示器的译码模式，逻辑高电平时选择硬件译码(BCD - B码译码)，译码器选择数据寄存器中的低4位(D3～D0)进行BCD- B码译码， ×0H～×9H对应BCD码字符0～9，而×AH～×FH分别对应B码字符-、E、H、L、P及消隐，D4～D6无效，D7单独控制小数点；译码模式寄存器为逻辑低电平时选择软件译码，数据D6～D0分别对应LED显示器的A～G段，D7对应小数点DP。
　　地址×AH为显示亮度寄存器，通过对该寄存器的D0～D3位写入不同的数值可实现对LED显示亮度的控制，从00H到0FH共16级可调。地址×BH为扫描界限寄存器，其D0～D3位数值设定为00H～07H，表示显示器动态扫描个数为1～8。地址×CH为停机寄存器，当其D0位为0时，MAX7219处于停机状态，扫描振荡器停振，所有显示器消隐，寄存器数据保持不变；当D0为1时，正常工作。地址×FH为显示测试寄存器，当其D0位为0时，正常工作；当D0为1时处于测试状态，全部LED显示器的所有字段都以亮度接通显示。
应用举例
　　图4 为MAX7219的位LED显示电路实例。图4中，单片机89C2051的P1.0、P1.1分别接MAX7219的串行数据输入端DIN和时钟信号CLK, P1.2作为LOAD信号。电阻R根据不同的LED选值，范围在7KΩ～ 60KΩ之间。

图4　MAX7219 应用电路

        结语
      通过以上对比，并行译码方式电路简单，但是资源利用率低，因此并不常用，串行- 并行转换方式在小型系统中应用具有很强的优势，但随着单片机应用系统的发展，很多复杂系统中都采用了专用显示驱动芯片。从上述应用实例可以看出，使用MAX7219 后，系统硬件结构简洁、程序流程清晰、控制灵活方便，应用于仪器仪表、医疗设备及智能家电等领域，可省去很多锁存器、译码器及驱动器，大大提高显示部分的集成程度，因此这种显示驱动方式在单片机系统设计中有着广阔的应用前景。

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