SPI控制8_8点阵屏

协议与硬件概述

SPI

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。是一种高速的（10Mbps）的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线。
image.png

引脚介绍

  • SCLK：串行时钟线，用于数据的同步。
  • MOSI（Master Output Slave Input）：主机输出数据，从机输入数据。
  • MISO（Master Input Slave Output）：主机输入数据，从机输出数据。
  • CS：（芯）片选（择）引脚，引脚低电平，从机工作有效；引脚高电平，从机工作无效。

全双工通信的数据输出和数据输入是用同一个时钟信号同步的。时钟信号由主设备通过SCK脚提供。
主机不能同时与多个从机通信。多机通信时，从机之间共用SCLK、MOSI、MISO三个引脚，主机选定与哪一从机通信是拉低该从机的CS片选信号引脚。
在之前的“读取红外键码”中，需要通过设置GPIO初始为高电平，下降沿触发，通过中断处理函数获取有效数据。
在本文中，不需要配置具体的读取过程，只需要同GPIO_Init一样，创建一个结构体，通过Init方法初始化即可。
只是因为，这款开发板配备了相关的硬件。读写操作由硬件自动完成。
同样情况的还有之前出现的USART，开发板也配备了相关的硬件。写操作是直接通过USART_SendData(USART1,Byte);发送一个字节数据。手动实现的字节流和字符串输出函数，也是在调用这个方法。并没有像“显示红外键码”时那样按位操作。
红外键码中需要实现的操作比较多，是因为开发板没有相关协议的设备和寄存器，那个接收器只是用来接收38K滤波，判断0和1的。所以在读取时，可以用1MHz的TIM频率进行输入捕获，而无需关注信号在空中的38KHz，这一部分由硬件已经完成了。

MAX7219

LED点阵屏配备了MAX7219驱动电路。
通过SPI发送的数据就需要这一部分解释到点阵屏上。
硬件对外只暴露了5根线：VCC、GND、DIN、CS、CLK。
只有DIN没有提过：串行数据输入端。
其实就是MOSI，点阵屏没必要向主机发送数据，所以就省掉了MISO这根线。
image.png

  • 在SPI通信中，SDI通常是输出，SDO是输入。

接线时需要将点阵屏的DIN连接到SPI的SPI_SDI引脚，SPI的SPI_SDO引脚闲置即可，因为用不到读入数据。

MAX7219和单片计算机连接有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16位数据串行移位接收方式。即单片机将16位二进制数逐位发送到DIN端,在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入MAX7219内移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219内的相应位置，在MAX7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。

文字中的LOAD指的就是原理图中的CS。
image.png
MAX7219是高位先行。先发送的第一个字节会作为地址，将第二个字节的数据写入到地址指向的寄存器。
接下来要做的，就是通过SPI协议，发送两个字节数据，第一个字节是地址，第二个字节是数据。

实现SPI控制LED点阵

SPI部分

SPI并没有直接控制灯的高低电平，而是告诉从机，让从机去实现。

初始化GPIO

先在原理图中找到对应引脚的接口：
image.png

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//MISO
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

//SCK MOSI
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7);

需要注意的就是：

  • 原理图的SPO对应SPI协议的MISO，而非MOSI。

配置SPI

前面提到了，SPI已经被集成到这款开发板中，我们不需要手动去实现具体的位操作过程。
只需要创建一个SPI_InitTypeDef类型的结构体，把结构体的配置项都给填上就可以。

SPI_InitTypeDef	SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA  = SPI_CPHA_1Edge; 
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);

上面的配置项需要在主机和从机之间提前约定好，才能有效地通信。
对于从机部分，已经焊死了。
我们需要对照从机的文档，对主机进行配置。
通过时钟极性CPOL和时钟相位CPHA来控制主设备的通信模式。
时钟极性CPOL定义时钟空闲状态的电平：

  • CPOL=0：表示SCLK为0时处于空闲态，高电平时为有效态。
  • CPOL=1：表示SCLK为1时处于空闲态，低电平时为有效态。

时钟相位CPHA定义数据的采集时间：

  • CPHA=0：在时钟的第1个跳变沿进行数据采样，第2个边沿发送数据。
  • CPHA=1：在时钟的第2个跳变沿进行数据采样，第1个边沿发送数据。

这两个选项需要对照从机的手册进行配置。
SPI_BaudRatePrescaler：波特率预分频器。SPI挂载在APB2上，为32MHz，需要调整到10Mhz以下。256分频也可以，因为用不到那么快的速度。
image.png
时序图中，空闲状态下，CLK是低电平，第一个上升沿将D15读入：

  • SPI_CPOL_Low和SPI_CPHA_1Edge

在时序图中，先到达的是D15，也就是高位。
主机数据的发送顺序也应是先发送高位，配置为SPI_FirstBit_MSB。
SPI_CRCPolynomial填写的是CRC校验公示的因子，设置为随机正数。
SPI_NSS设置由硬件控制还是软件控制。在此设置为软件（据课程老师说更常用）。

发送数据

这是SPI部分，看上去跟之前写的USART没有什么区别。

void SPI1_WriteByte(uint8_t TxData)
{
	while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
	SPI_I2S_SendData(SPI1,TxData);
}

MAX7219部分

上面只是SPI方面的配置和使用。SPI是通信协议，我们要通过这个协议来告诉从机改干什么。
最开始有提到过，但从未使用的CS，现在有用了：在需要通信时拉低，告诉从机，传输要开始了。
需要先初始化相关的引脚：

void MAX7219_CS_Init()
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef	GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);
}

利用位带修改引脚的值。

void Write_MAX7219(uint8_t addr,uint8_t data)
{
	PAout(4) = 0;
    SPI1_WriteByte(addr);
	SPI1_WriteByte(data);
	Delay_ms(1);
	PAout(4) = 1;
}

写完数据，从机未必成功读完，需要给从机一点时间响应。
写成发送两次8字节，是因为这样更加直观。

设置显示选项

点阵屏的亮度、开关也可以设置。
在板载的硬件中，可以通过stm32提供的库函数修改。
在这种外设条件下，主机和从机之间的联系方式只有目前的SPI。
通过SPI发送2字节数据，第一个字节指定地址，第二个字节指定该地址填入的数据。
各内部功能寄存器含义如下：

  • 停机寄存器（地址0CH）：当D0=0时，MAX721处于停机状态；当D0=1时，处于正常工作状态。
  • 显示测试寄存器（地址0FH）：当D0=0时，MAX7219按设定模式正常工作；当D0=1时，处于测试状态。在该状态下，不管MAX7219处于什么模式，全部LED将按最大亮度显示。
  • 亮度寄存器（地址0AH）：亮度可以用硬件和软件两种方法调节。亮度寄存器中的D0～D3位可以控制LED显示器的亮度。
  • 扫描界限寄存器（地址0BH）：该寄存器中D0～D3位数据设定值为0～7H，设定值表示显示器动态扫描个数位1～8。
  • 译码方式寄存器（地址09H）：该寄存器的8位二进制数的各位分别控制8个LED显示器的译码方式。当高电平时，选择BCD-B译码模式，当低电平时选择不译码模式（即送来数据为字型码）。
  • 内部RAM地址01～08H分别对应于DIG0～DIG7。

也就是说，通过SPI协议向指定的位置写值，实现修改设置和数据。

void MAX7219_Init()
{
	SPI1_Init();
	MAX7219_CS_Init();
	Write_MAX7219(0x0C,0x01);
	Write_MAX7219(0x0F,0x00);
	Write_MAX7219(0x0A,0x0f);
	Write_MAX7219(0x0B,0x07);
	Write_MAX7219(0x09,0x00);
}

对照上面的寄存器含义，该代码的含义为：

  • 停机寄存器：正常工作状态
  • 测试寄存器：按设定正常工作
  • 亮度寄存器：最大亮度显示
  • 扫描界限寄存器：显示到第8列，即全部显示
  • 译码方式寄存器：不译码，送来什么就显示什么

主函数显示笑脸

不同于点亮数码管。点亮数码管需要快速刷新，在一个瞬间只能点亮一个数字。停止刷新就不再显示。
该点阵屏的点亮是通过往寄存器写值，刷新显示操作交由外设硬件。只要寄存器值不变，现实的内容就不变 。我们只需要写一次数据即可。

uint8_t smile[8] = {0x3C,0x42,0xA5,0x81,0xA5,0x99,0x42,0x3C};
int main(void)
{
	MAX7219_Init();
	uint8_t i = 0;
	for(i = 1; i <=8; i++)
	{
		Write_MAX7219(i,smile[i-1]);
	}
	while(1)
	{
	}
}

IMG_20240215_221253.HEIC

参考

  • MAX7219点阵原理图.pdf
  • MAX7219中文.pdf
  • MAX7219原理及其应用.pdf
  • stm32 使用说明+笔记(必读）.pdf
  • 32版开发板原理图.pdf

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