樹(shù)莓派GPIO入門09-使用MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管

前面幾篇我們學(xué)習(xí)了如何利用一片或多片級(jí)聯(lián)的74HC595芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示數(shù)碼管的方法。最開(kāi)始我們提出的兩個(gè)問(wèn)題：

占用IO口過(guò)多

做動(dòng)態(tài)掃描時(shí)占用CPU資源太多導(dǎo)致顯示不穩(wěn)定

第一個(gè)問(wèn)題已經(jīng)利用級(jí)聯(lián)的74HC595解決了。（不管驅(qū)動(dòng)幾只數(shù)碼管，只用3個(gè)IO即可）
但第二個(gè)問(wèn)題依然存在，樹(shù)莓派仍然需要不停地訪問(wèn)IO口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。
好，既然動(dòng)態(tài)掃描占用CPU資源太多，那這活兒咱包出去讓別人干不就行了？這就是本文主角MAX7219的特長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)掃描這活兒MAX7219全包了，干的還比咱自己干得還好，一片MAX7219可最多支持顯示8位8段數(shù)碼管，還支持各種設(shè)置如亮度設(shè)置掃描位數(shù)設(shè)置等。而我們只用告訴它顯示的內(nèi)容就行了。

最終效果

視頻演示

硬件

MAX7219顯示芯片 X 1（2到3元一個(gè)）
MAX7219
共陰（共陽(yáng)不可以）4位數(shù)碼管 X 2
10k電阻一只
10uF電容一只
0.1uF電容一只
硬件圖

原理說(shuō)明未完TODO

注：下面這些圖都是從MAX7219官方資料里截取出來(lái)的，官方資料文末提供下載

先看一下MAX7219的引腳圖：
MAX7219的引腳圖
MAX7219一共有24根引腳，這里面有一些跟74HC595的引腳功能類似的引腳如下：

MAX721974HC595功能DINDS串行輸入SEG A-G,DPQ0-Q7數(shù)碼管段數(shù)據(jù)輸出CLKSHCP串行移位寄存器時(shí)鐘LOADSTCP內(nèi)部寄存器鎖存時(shí)鐘DOUTQ7S串行輸出，級(jí)聯(lián)多塊芯片時(shí)使用

可以看出，MAX7219跟74HC595一樣也是通過(guò)DIN引腳串行輸入數(shù)據(jù)，在CLK引腳的上升沿移入移位寄存器，在LOAD引腳的上升沿將位移寄存器的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)部的各種寄存器里。不同的是:

74HC595的移位寄存器是8位的，而MAX7219的移位寄存器是16位的，每次串行輸入數(shù)據(jù)需要連續(xù)輸入16位數(shù)據(jù)。

74HC595內(nèi)部只有1個(gè)8位的鎖存器，功能很簡(jiǎn)單，只是原樣輸出到8根輸出引腳。而MAX7219內(nèi)部有好幾個(gè)不同功能的寄存器。后面我會(huì)逐個(gè)說(shuō)明。

我們?cè)倏匆幌鹿俜轿臋n里關(guān)于各引腳的功能說(shuō)明：
MAX7219各引腳的功能說(shuō)明
上面提過(guò)的不再贅述，說(shuō)一下MAX7219特有的引腳。
DIG0-DIG7這8個(gè)引腳作為位選端，分別連到8位數(shù)碼管的共陰極，MAX7219在做動(dòng)態(tài)掃描時(shí)會(huì)依次向共陰極DIG0-DIG7輸出低電平，所以MAX7219不能驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的數(shù)碼管。其實(shí)也不是絕對(duì)不能，將位選端和段選端逆接就可以了，不過(guò)這樣做的話，有3個(gè)弊端：
- 不能使用MAX7219內(nèi)部的譯碼功能，需要自己編寫(xiě)數(shù)字的字形碼。增加了代碼的復(fù)雜度。
- 需要以段單位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而不能以位單位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。（即每次傳輸?shù)氖歉魑粩?shù)碼管的某一段的數(shù)據(jù)，而不是某位數(shù)碼管各段的數(shù)據(jù)。第一次傳所有數(shù)碼管的A段數(shù)據(jù)，第二次傳所有數(shù)碼管的B段數(shù)據(jù)一直到8段數(shù)據(jù)全部傳完）無(wú)疑進(jìn)一步增加了代碼的復(fù)雜度。
- 無(wú)法限制掃描位數(shù)，只能所有8位數(shù)碼管同時(shí)掃描。（變成了限制掃描段數(shù)，如可以只顯示所有數(shù)碼管的A-C段。。。）
ISET通過(guò)一只電阻連上VCC，通過(guò)調(diào)整這只電阻的阻值可以調(diào)整通過(guò)這只電阻的電流I，而最后輸出到數(shù)碼管上的最大電流就是這個(gè)電流I的100倍。如果這只電阻太小，導(dǎo)致輸出到數(shù)碼管的電流過(guò)大會(huì)燒壞數(shù)碼管，所以官方文檔里推薦這只電阻最小應(yīng)該設(shè)置為9.7K歐，我手頭上只有10K的電阻也是一樣，只要?jiǎng)e低于這個(gè)阻值就可以了。根據(jù)這個(gè)原理我們也可以接一個(gè)可調(diào)電阻在ISET上，可以隨時(shí)調(diào)整數(shù)碼管亮度。這種調(diào)整亮度的方法是通過(guò)模擬信號(hào)調(diào)制。MAX7219也支持通過(guò)數(shù)字信號(hào)來(lái)設(shè)置亮度（有16級(jí)亮度可調(diào)）。
MAX7219內(nèi)部的各模塊的示意圖：
MAX7219內(nèi)部的各模塊的示意圖
最下面是一個(gè)16位的移位寄存器D0-D15，跟74HC595一樣，通過(guò)DIN引腳串行輸入數(shù)據(jù)，在CLK引腳的上升沿移入移位寄存器。
D8-D11這4位數(shù)據(jù)用來(lái)指定內(nèi)部寄存器地址。D0-D7是具體要傳到寄存器里的數(shù)據(jù)。
上面的圖看上去有點(diǎn)復(fù)雜，其實(shí)簡(jiǎn)單地說(shuō)就是我們每次要串行傳輸16位數(shù)據(jù)進(jìn)去，然后在LOAD的上升沿，根據(jù)D8-D11指定的寄存器地址，將D0-D7存放在指定的寄存器里。這樣多次傳輸數(shù)據(jù)就可以給所有的寄存器設(shè)值了。
下面是MAX7219內(nèi)部的寄存器一覽：
- 關(guān)斷寄存器
- 譯碼模式寄存器
- 亮度寄存器
- 掃描限值寄存器
- 顯示器測(cè)試寄存器
  每個(gè)寄存器都有自己特殊的功能，后面我們會(huì)逐一介紹。
串行傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)格式如下：
MAX7219串行數(shù)據(jù)格式
你可能注意到了這幅圖的順序跟模塊示意圖里移位寄存器的順序是相反的。
D15-D0這個(gè)反向的順序是你寫(xiě)代碼時(shí)串行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的順序，先傳D15的數(shù)據(jù)，再傳D14,D13…D0，這樣傳輸完成后。實(shí)際的數(shù)據(jù)順序就變成了D0,D1,D2…D15。為了便于編碼，除了模塊示意圖是按實(shí)際順序記載的，后面所有數(shù)據(jù)格式的示意圖都是倒序記載的。
各寄存器地址如下：
MAX7219寄存器地址

關(guān)斷寄存器的數(shù)據(jù)格式：
MAX7219關(guān)斷寄存器的數(shù)據(jù)格式
譯碼模式寄存器的數(shù)據(jù)格式：
MAX7219譯碼模式寄存器的數(shù)據(jù)格式
譯碼模式下的原碼和譯碼的對(duì)應(yīng)表：
MAX7219譯碼模式下的原碼和譯碼的對(duì)應(yīng)表
非譯碼模式下的數(shù)據(jù)和數(shù)碼管各段的對(duì)應(yīng)表：
MAX7219非譯碼模式下的數(shù)據(jù)和數(shù)碼管各段的對(duì)應(yīng)表
亮度寄存器的數(shù)據(jù)格式：
MAX7219亮度寄存器的數(shù)據(jù)格式
掃描限值寄存器的數(shù)據(jù)格式：
MAX7219掃描限值寄存器的數(shù)據(jù)格式
顯示器測(cè)試寄存器的數(shù)據(jù)格式：
MAX7219顯示器測(cè)試寄存器的數(shù)據(jù)格式

硬件連接TODO

模塊1引腳模塊2引腳MAX7219DIN樹(shù)莓派GPIO13MAX7219LOAD樹(shù)莓派GPIO26MAX7219CLK樹(shù)莓派GPIO19MAX7219GNDX2樹(shù)莓派GNDMAX7219V+樹(shù)莓派5VMAX7219ISET樹(shù)莓派5V(需串聯(lián)一只10k電阻)MAX7219DIG0數(shù)碼管1DIG1(引腳12)MAX7219DIG1數(shù)碼管1DIG2(引腳9)MAX7219DIG2數(shù)碼管1DIG3(引腳8)MAX7219DIG3數(shù)碼管1DIG4(引腳6)MAX7219DIG4數(shù)碼管2DIG1(引腳12)MAX7219DIG5數(shù)碼管2DIG2(引腳9)MAX7219DIG6數(shù)碼管2DIG3(引腳8)MAX7219DIG7數(shù)碼管2DIG4(引腳6)MAX7219SEG DP數(shù)碼管1/2DPMAX7219SEG G數(shù)碼管1/2GMAX7219SEG F數(shù)碼管1/2FMAX7219SEG E數(shù)碼管1/2EMAX7219SEG D數(shù)碼管1/2DMAX7219SEG C數(shù)碼管1/2CMAX7219SEG B數(shù)碼管1/2BMAX7219SEG A數(shù)碼管1/2AMAX7219DOUT(級(jí)聯(lián)用)(不使用)10/0.1uF電容正極MAX7219V+10/0.1uF電容負(fù)極MAX7219GND

代碼（Python）

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179

#!/usr/bin/env python# encoding: utf-8import RPi.GPIOimport time# 串行數(shù)據(jù)輸入DIN = 13# 時(shí)鐘脈沖信號(hào)——上升沿有效LOAD = 26# 打入信號(hào)————上升沿有效CLK = 19RPi.GPIO.setmode(RPi.GPIO.BCM)RPi.GPIO.setup(DIN, RPi.GPIO.OUT)RPi.GPIO.setup(LOAD, RPi.GPIO.OUT)RPi.GPIO.setup(CLK, RPi.GPIO.OUT)# 傳輸一個(gè)8位數(shù)def setByte(byteData):for bit in range(0,8):# 傳入的數(shù)字從高位到低位依次判斷是否為1，若為1則設(shè)置高電平，否則設(shè)置低電平# 判斷的方法是先向左移位，把要判斷的位移動(dòng)到最高位然后跟0x80（1000 0000）相與，# 如果結(jié)果仍然是0x80（1000 0000）就表示最高位是1，否則最高位就是0if ((byteData<0x80 == 0x80):setBitData(True)else:setBitData(False)# 譯碼模式設(shè)置def setDecodeMode(mode = 4):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址設(shè)置：0xX9# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,0,1setByte(0x09)if (mode == 1) :# 所有數(shù)碼管均不使用譯碼功能# 指令代碼: 0x00setByte(0x00)elif (mode == 2) :# 只對(duì)DIG0號(hào)數(shù)碼管進(jìn)行譯碼，其他數(shù)碼管不使用譯碼功能# 指令代碼: 0x01setByte(0x01)elif (mode == 3) :# 對(duì)DIG0-3號(hào)數(shù)碼管進(jìn)行譯碼，其他數(shù)碼管不使用譯碼功能# 指令代碼: 0x0FsetByte(0x0f)elif (mode == 4) :# 數(shù)碼管7－0全部采用譯碼模式# 指令代碼: 0xFFsetByte(0xff)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 亮度設(shè)置def setIntensity(mode = 8):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址設(shè)置：0xXA# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,1,0setByte(0x0A)# 亮度從0到15共16個(gè)等級(jí)，指令的D3－D0就是數(shù)字0－15的二進(jìn)制編碼# D7-D4:任意setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 掃描顯示位數(shù)設(shè)置(0-7)def setScanLimit(mode = 7):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址設(shè)置：0xXB# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,0,1,1setByte(0x0B)# 掃描位數(shù)可設(shè)置0－7共8種選擇，指令的D2－D0就是數(shù)字0－7的二進(jìn)制編碼# D7-D3:任意# D2-D0:0-7的3位二進(jìn)制編碼setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 關(guān)斷模式設(shè)置# mode: 1: 正常運(yùn)行模式# mode: 0: 關(guān)斷模式def setShutdownMode(mode = 1):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址設(shè)置：0xXC# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,1,0,0setByte(0x0C)# 關(guān)斷模式可設(shè)置0－1共2種選擇，設(shè)置D0即可# D7-D1:任意# D0:1: 正常運(yùn)行模式 0: 關(guān)斷模式setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 測(cè)試模式設(shè)置# mode=0: 正常運(yùn)行模式# mode=1: 測(cè)試模式(全亮模式)def setDisplayTestMode(mode = 0):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 指令寄存器地址設(shè)置：0xXF# D15-D12:任意# D11,10,9,8: 1,1,1,1setByte(0x0f)# 測(cè)試模式可設(shè)置0－1共2種選擇，設(shè)置D0即可# D7-D1:任意# D0:0: 正常運(yùn)行模式 1: 測(cè)試模式(全亮模式)setByte(mode)RPi.GPIO.output(LOAD, True)# 指定no(1-8)號(hào)數(shù)碼管顯示數(shù)字num(0-9)，第三個(gè)參數(shù)是顯示不顯示小數(shù)點(diǎn)（true/false）def showDigit(no, num, showDotPoint):RPi.GPIO.output(LOAD, False)# 設(shè)置指令寄存器地址：0xX1-0xX8# 格式：D15-D12:任意（我們這里設(shè)置0）# D11-D8: 1-8的4位二進(jìn)制編碼：例：1（0,0,0,1）setByte(no)# 設(shè)置顯示內(nèi)容# 格式：D7:顯示小數(shù)點(diǎn)（1點(diǎn)亮）# D6-D4:任意（我們這里設(shè)置0）# D3-D0:數(shù)字0-9的4位二進(jìn)制編碼：例：2（0,0,1,0）if (showDotPoint):# 如果顯示小數(shù)點(diǎn)則需要將數(shù)字的最高位（D7）設(shè)置為1(最高位跟1相或)setByte(num | 0x80)else:setByte(num)RPi.GPIO.output(LOAD, True)def setBitData(data):RPi.GPIO.output(CLK, False)RPi.GPIO.output(DIN, data)RPi.GPIO.output(CLK, True)try:# 測(cè)試代碼，亮度使用最低亮度，顯示從0開(kāi)始遞增的數(shù)字。setShutdownMode()setDecodeMode()setIntensity(0)setScanLimit()setDisplayTestMode()n=0while True:n=n+1showDigit(8, int(n)%10, False)showDigit(7, int(n/10)%10, False)showDigit(6, int(n/100)%10, False)showDigit(5, int(n/1000)%10, False)showDigit(4, int(n/10000)%10, False)showDigit(3, int(n/100000)%10, False)showDigit(2, int(n/1000000)%10, False)showDigit(1, int(n/10000000)%10, False)time.sleep(0.01)except KeyboardInterrupt:pass# 清理GPIO口RPi.GPIO.cleanup()