串行显示驱动器PS7219及单片机的SPI接口设计

0　引　言
    在单片机的应用系统中，为了便于人们观察和监视单片机的运行情况，常常需要用显示器显示运行的中间结果及状态等等。因此显示器往往是单片机系统必不可少的外部设备之一。常用的显示器有很多种，其中LED（发光二极管显示器）是应用较多的一种，它特别适用于强光和光线极弱的场合。

　　要使LED显示，必须提供段选码和位选码。传统的硬件译码显示接口广泛采用由中央处理器CPU（如：Intel 8031）扩展I／O口（如：8255），然后再使用逻辑门驱动芯片（如7407等）驱动相应的位码和段码。这种设计，芯片间连线十分复杂，系统工作可靠性不高，已越来越不适应单片机系统集成化、小型化的发展要求。特别是系统并行扩展I／O，其缺点十分明显：

　　（1）连线太多，系统连线复杂，印制板布线不方便；

　　（2）并行总线上挂靠的器件太多，系统工作的稳定性和可靠性低；

　　（3）体积较大，集成度不高。

　　正是由于上述原因，近年来，各厂家相继开发出了集成度较高、驱动能力较强、驱动位数较多、功能齐全的LED显示驱动器。

　　本文介绍一种低价位、高性能的多位LED显示驱动器PS7219芯片，以及它与单片机89C51具体的SPI接口设计与应用软件。

1　PS7219简介
    PS7219是一种新型的串行接口的8位数字静态显示芯片。它是由武汉力源公司新推出的24脚双列直插式芯片，采用流行的同步串行外设接口（SPI），可与任何一种单片机方便接口，并可同时驱动8位LED（或64只独立LED），其引脚图如图1所示。

　　　　　　　　　　　　　
　　PS7219内部具有15×8RAM功能控制寄存器，可方便选址，对每位数字可单独控制、刷新、不需重写整个显示器。显示数字亮度可由数字进行控制，每位具有闪烁使能控制位。当引脚CON（13脚）置高电平，可禁止所有显示，达到降低功耗的效果，但同时并不影响对控制寄存器的修改。PS7219还有一个掉电模式、一个允许用户从1位数显示到8位数显示选择的扫描界限寄存器和一个强迫所有LED接通的测试模式。另外，PS7219A型内置一个可靠的uP监控电路，可为外部提供一个脉宽140ms，触发门限典型值为4．63V的高电平复位信号。

　　如果N个PS7219级联，可实现N×8位LED显示。

2　PS7219引脚功能
    PS7219引脚功能如表1所示。

3　 PS7219工作过程
    图2为PS7219工作时序图。由图2可行，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端最高输入频率可达500kHz，在输入时钟信号的每个上升沿，均有1位数据由DIN移入到内部寄存器中，LOAD用来装载数据，在LOAD的上升沿，16位串行输入数据被锁存到数字或控制寄存器中。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，否则数据将会丢失。

　　规定一组数据为16位二进制数据包，其格式如下：

　　　　　　　 

　　其中D15～D12位不用，D11～D8为内部5个控制寄存器和8个LED显示数据寄存器的地址，地址编码如表2。D7～D0为5个控制寄存器命令字或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均独立编址，所以可以通过程序单独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，但必须注意，每16位为一组，从高位地址节最高位开始送起，直到低位数据字最后一位为止。

　　　　　　

　　PS7219按5个控制寄存器规定的方向对待显示的数字自动扫描显示，所以有必要对各控制寄存器的功能有所了解，现分述如下：

　　（1）译码方式寄存器：对每个数字设置BCD码B（0～9、E、H、L、P和－）或非代码操作。寄存器中的每一位与一个数字对应。逻辑高电平选择代码BCD译码，而低电平选择旁路译码器。

　　（2）显示亮度寄存器：其中D7～D4位可任意，而D3～D0可选择0000～1111。D3～D0的值越大，LED显示器越亮。

　　（3）扫描范围寄存器：其扫描范围寄存器设置所显示数据的多少，可从1至8。它们一般以扫描速率1．5kHz、8位数据、多路复用方式显示。

　　（4）掉电控制寄存器：其中D7～D1位可任意，D0＝0，关闭所有显示器；D0＝1，允许显示。

　　（5）显示测试寄存器：其中D7～D1位可任意；D0＝00，LED处于正常工作状态；D0＝1，允许显示。LED处于显示测试状态。

　　在送完控制字后，可根据实际需要调用显示子程序，改变1～8个数据寄存器的内容，完成显示功能。

4　SPI接口
    SPI是同步串行外设接口，主要用于与各种外围器件以串行方式进行通讯、交换信息。这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器、或是复杂的LCD显示驱动器或A／D转换子系统。SPI接口很容易与许多厂家的各种外围器件直接相连。

　　它使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入／从机输出线（MISO）、主机输出／从机输入线（MOSI）、低电平有效的使能信号线（CS———）。如图3所示。这样，仅需3－4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I／O器件。其典型结构如图3。

 

5　接口设计

5．1　硬件设计
    PS7219的SPI接口是一个高速的同步串行I／O口，它允许1～8位的串行比特流以特定的传输速率移进移出芯片。但这要求微处理器带有SPI接口能力。对不带SPI或相同接口能力的微处理器，需用软件合成SPI操作来和PS7219接口，这里笔者以目前应用广泛的AT89C51为例，进行了电路设计，接口电路图见图4所示。

　　这里，89C51的P1．6作串行数据输出，连接到PS7219的DIN脚，P1．7和P1．5通过程序分别模拟PS7219的时钟脉冲CLK及数据加载LOAD信号。PS7219的SA～SG、SDP端连接到各LED数码管对应的a～f及dp端，DIG0～DIG3分别接4位LED数码管的共阴极，以实现位选。另外，选用XICOR公司的X25045作为看门狗监控电路。

　　实际上，数码管的位数可在1～8位之间任意选择，这可由写入的扫描界线寄存器的命令字决定。注意，为了使由峰值数字驱动器电流引起的纹波减到最小，需要在V＋和GND之间尽可能靠近芯片的地方外接一个10μF的电解电容和一个0．1μF的瓷片电容。PS7219应放在紧靠LED显示器的地方，且连线尽可能短，两个GND引脚都必须连接到地线上。

　　PS7219只需一组＋5V电源和89C51的三个输出口，且无附加电路，可驱动1～8个LED显示器，显示亮度可调，工作可靠。

5．2　软件编程
    在89C51的程序存储器区开辟一些存储单元，专门用来定义控制命令字，这些命令字的具体数值根据你要选择的工作方式、显示内容、显示位数等等来定义。

　　由于PS7219的控制寄存器和显示寄存器均独立编址，显示程序实际上就是89C51在P1．7（CLK），P1．5（LOAD）时序的配合下不断通过P1．6（DIN）向PS7219的相应控制寄存器和数据显示寄存器写入16位二进制数据包的过程。所以问题的关键在于编写一个通用的写入子程序，将VWO的内容从高位到低位在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信号）锁存到相应的内部控制寄存器和数据显示寄存器中去。写入子程序的程序流程图如图5所示。

　　无论初始化PS7219的控制寄存器，还是在相应的数码管显示数字，均可通过调用上述通用写入子程序完成。

　　　　　　　　　　　

参考文献
1　潘天红．分布式控制系统智能控制器的研究．江苏理工大学硕士研究生论文，2000．1
2　武汉力源．PS7219带有高速串行接口的8位LED控制驱动器．武汉：武汉力源电子股份有限公司，1999．2
3　潘天红．SPI串行总线与单片机系统的优化设计．测控技术，2001．2
4　李华．MCS51系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999．12