串行顯示驅動器PS7219及單片機的SPI接口設計

0　引　言

在單片機的應用系統中，為了便于人們觀察和監視單片機的運行情況，常常需要用顯示器顯示運行的中間結果及狀態等等。因此顯示器往往是單片機系統必不可少的外部設備之一。常用的顯示器有很多種，其中led（發光二極管顯示器）是應用較多的一種，它特別適用于強光和光線極弱的場合。

要使led顯示，必須提供段選碼和位選碼。傳統的硬件譯碼顯示接口廣泛采用由中央處理器cpu（如：intel 8031）擴展i／o口（如：8255），然后再使用邏輯門驅動芯片（如7407等）驅動相應的位碼和段碼。這種設計，芯片間連線十分復雜，系統工作可靠性不高，已越來越不適應單片機系統集成化、小型化的發展要求。特別是系統并行擴展i／o，其缺點十分明顯：

（1）連線太多，系統連線復雜，印制板布線不方便；

（2）并行總線上掛靠的器件太多，系統工作的穩定性和可靠性低；

（3）體積較大，集成度不高。

正是由于上述原因，近年來，各廠家相繼開發出了集成度較高、驅動能力較強、驅動位數較多、功能齊全的led顯示驅動器。

本文介紹一種低價位、高性能的多位led顯示驅動器ps7219芯片，以及它與單片機89c51具體的spi接口設計與應用軟件。

1　ps7219簡介

ps7219是一種新型的串行接口的8位數字靜態顯示芯片。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接口（spi），可與任何一種單片機方便接口，并可同時驅動8位led（或64只獨立led），其引腳圖如圖1所示。

ps7219內部具有15×8ram功能控制寄存器，可方便選址，對每位數字可單獨控制、刷新、不需重寫整個顯示器。顯示數字亮度可由數字進行控制，每位具有閃爍使能控制位。當引腳con（13腳）置高電平，可禁止所有顯示，達到降低功耗的效果，但同時并不影響對控制寄存器的修改。ps7219還有一個掉電模式、一個允許用戶從1位數顯示到8位數顯示選擇的掃描界限寄存器和一個強迫所有led接通的測試模式。另外，ps7219a型內置一個可靠的up監控電路，可為外部提供一個脈寬140ms，觸發門限典型值為4．63v的高電平復位信號。

如果n個ps7219級聯，可實現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工作時序圖。由圖2可行，din是串行數據輸入端，在clk的上升沿，一位數據被加載到內部16位移位寄存器中，clk端最高輸入頻率可達500khz，在輸入時鐘信號的每個上升沿，均有1位數據由din移入到內部寄存器中，load用來裝載數據，在load的上升沿，16位串行輸入數據被鎖存到數字或控制寄存器中。load必須在第16個時鐘上升沿的同時或之后，在下一個時鐘上升沿之前變高，否則數據將會丟失。

規定一組數據為16位二進制數據包，其格式如下：

其中d15～d12位不用，d11～d8為內部5個控制寄存器和8個led顯示數據寄存器的地址，地址編碼如表2。d7～d0為5個控制寄存器命令字或8個led數碼管待顯示的數據。因為控制寄存器與顯示數據寄存器均獨立編址，所以可以通過程序單獨對每個寄存器進行操作。一般情況下，程序先送控制命令，后向顯示寄存器送數據，但必須注意，每16位為一組，從高位地址節最高位開始送起，直到低位數據字最后一位為止。

ps7219按5個控制寄存器規定的方向對待顯示的數字自動掃描顯示，所以有必要對各控制寄存器的功能有所了解，現分述如下：

（1）譯碼方式寄存器：對每個數字設置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數字對應。邏輯高電平選擇代碼bcd譯碼，而低電平選擇旁路譯碼器。

（2）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。

（3）掃描范圍寄存器：其掃描范圍寄存器設置所顯示數據的多少，可從1至8。它們一般以掃描速率1．5khz、8位數據、多路復用方式顯示。

（4）掉電控制寄存器：其中d7～d1位可任意，d0＝0，關閉所有顯示器；d0＝1，允許顯示。

（5）顯示測試寄存器：其中d7～d1位可任意；d0＝00，led處于正常工作狀態；d0＝1，允許顯示。led處于顯示測試狀態。

在送完控制字后，可根據實際需要調用顯示子程序，改變1～8個數據寄存器的內容，完成顯示功能。

4　spi接口

spi是同步串行外設接口，主要用于與各種外圍器件以串行方式進行通訊、交換信息。這些外圍器件可以是簡單的ttl移位寄存器、或是復雜的lcd顯示驅動器或a／d轉換子系統。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：串行時鐘線（sck）、主機輸入／從機輸出線（miso）、主機輸出／從機輸入線（mosi）、低電平有效的使能信號線（cs———）。如圖3所示。這樣，僅需3－4根數據線和控制線即可擴展具有spi接口的各種i／o器件。其典型結構如圖3。

5　接口設計

5．1　硬件設計

ps7219的spi接口是一個高速的同步串行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移出芯片。但這要求微處理器帶有spi接口能力。對不帶spi或相同接口能力的微處理器，需用軟件合成spi操作來和ps7219接口，這里筆者以目前應用廣泛的at89c51為例，進行了電路設計，接口電路圖見圖4所示。

這里，89c51的p1．6作串行數據輸出，連接到ps7219的din腳，p1．7和p1．5通過程序分別模擬ps7219的時鐘脈沖clk及數據加載load信號。ps7219的sa～sg、sdp端連接到各led數碼管對應的a～f及dp端，dig0～dig3分別接4位led數碼管的共陰極，以實現位選。另外，選用xicor公
司的x25045作為看門狗監控電路。

實際上，數碼管的位數可在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，為了使由峰值數字驅動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10μf的電解電容和一個0．1μf的瓷片電容。ps7219應放在緊靠led顯示器的地方，且連線盡可能短，兩個gnd引腳都必須連接到地線上。

ps7219只需一組＋5v電源和89c51的三個輸出口，且無附加電路，可驅動1～8個led顯示器，顯示亮度可調，工作可靠。

5．2　軟件編程

在89c51的程序存儲器區開辟一些存儲單元，專門用來定義控制命令字，這些命令字的具體數值根據你要選擇的工作方式、顯示內容、顯示位數等等來定義。

由于ps7219的控制寄存器和顯示寄存器均獨立編址，顯示程序實際上就是89c51在p1．7（clk），p1．5（load）時序的配合下不斷通過p1．6（din）向ps7219的相應控制寄存器和數據顯示寄存器寫入16位二進制數據包的過程。所以問題的關鍵在于編寫一個通用的寫入子程序，將vwo的內容從高位到低位在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）鎖存到相應的內部控制寄存器和數據顯示寄存器中去。寫入子程序的程序流程圖如圖5所示。

無論初始化ps7219的控制寄存器，還是在相應的數碼管顯示數字，均可通過調用上述通用寫入子程序完成。