Οι οδηγοί ντισπλέι MAX7221 και ΜΑΧ 7219

Σε αυτό το πρότζεκτ θα σας πω για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ΜΑΧ7221 και ΜΑΧ7219, τα οποία είναι οδηγοί ντισπλέϊ επτά τμημάτων LED και μέχρι οκτώ ψηφία, θα σας πώ το πώς επικοινωνούν σειριακά με ένα μικροελεγκτή και τις εντολές που δέχονται απ’ αυτόν.
Συγκεκριμένα θα κατασκευάσουμε μια αναπτυξιακή πλακέτα οκτώ ψηφίων LED κοινής καθόδου που οδηγούνται από τον οδηγό ντισπλέϊ ΜΑΧ7221 ή ΜΑΧ7219. Η πλακέτα μπορεί να συνδεθεί σειριακά με ένα AVR μικροελεγκτή ή την πλατφόρμα Arduino.

Ο οδηγός ντισπλέϊ ΜΑΧ7221 είναι συμβατός με το πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI το οποίο έχει ένα όριο στη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων για την μείωση της ηλεκτρομαγνητικής εκπομπής (ΕΜΙ).
Τα ολοκληρωμένα αυτά περιέχουν 8-byte μνήμη SRAM όπου κάθε ένα byte αντιστοιχεί και σε ένα καταχωρητή που ελέγχει τη λειτουργία των οδηγών ντισπλέι ΜΑΧ7221 και ΜΑΧ7219. Κάθε ένας καταχωρητής προσπελάζεται με την δικιά του διεύθυνση και περιέχει τα δικά του 8-bit δεδομένα που ορίζουν την λειτουργία για την οποία προορίζεται ο καταχωρητής. Οι καταχωρητές αυτοί χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: α) καταχωρητές ελέγχου που ορίζουν τον έλεγχο και την λειτουργία του οδηγού β)Καταχωρητές ψηφίων που περιέχουν τα δεδομένα του κάθε ψηφίου.

Οι καταχωρητές των οδηγών ντισπλέϊ ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221 ορίζουν την δυνατότητα αναμονής με χαμηλή κατανάλωση 150μΑ, τον αναλογικό και ψηφιακό έλεγχο φωτεινότητας, τον αριθμό των ψηφίων που χρησιμοποιούνται για απεικόνιση, την κατάσταση ελέγχου που φωτίζει όλα τα LEDs.

Κάθε καταχωρητής προσπελαύνεται με ένα πακέτο 16-bit D15-D0 που στέλνει σειριακά ο μικροελεγκτής στον οδηγό ντισπλέϊ ΜΑΧ7221 ή ΜΑΧ7219. Σε αυτό το 16-bit πακέτο το κάθε bit ονομάζεται D0 έως D15 (βλέπε πίνακα 1) Τα bit στο διάστημα D8-D11 περιέχουν την διεύθυνση του καταχωρητή που θέλουμε να προσπελάσουμε. Τα bit στο διάστημα D0-D7 περιέχουν τα δεδομένα που περικλείει ο καταχωρητής, ενώ τα bit στο διάστημα D12-D15 δεν έχουν σημασία μπορούν να είναι οποιαδήποτε.

Ο οδηγός ΜΑΧ7219 δέχεται δεδομένα ανεξάρτητα από την κατάσταση του ακροδέκτη LOAD ενώ για τον οδηγό ΜΑΧ7221 ο ακροδέκτης CS πρέπει να είναι σε low κατάσταση. Τα σήματα LOAD/CS πρέπει να τεθούν high ταυτόχρονα με ή μετά τη θετική ακμή του 16ου παλμού ρολογιού και πριν την θετική ακμή του επόμενου παλμού ρολογιού.

Καταχωρητές ελέγχου και ψηφίων

Ένας καταχωρητής μπορεί να είναι καταχωρητής ψηφίου ή καταχωρητής ελέγχου. Ο κάθε ένας καταχωρητής προσπελαυνεται με τη 16-byte τιμή, όπου τα bits D0 εως D7 αναφέρονται στα δεδομένα και τα D8 εως D11 αποτελούν την διεύθυνση του καταχωρητή.
Οι καταχωρητές ψηφίων δημιουργούνται με μια 8Χ8 SRAM μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα και χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση του ντισπλέϊ. Οι καταχωρητές ψηφίων προσπελάζονται άμεσα με την διεύθυνση τους, έτσι ώστε τα δεδομένα μεμονωμένων ψηφίων να ανανεώνονται.
Οι καταχωρητές ελέγχου περιλαμβάνουν τον καταχωρητή αποκωδικοποίησης που ορίζει αν τα δεδομένα ενός ψηφίου είναι κωδικοποιημένα, τον καταχωρητή φωτεινότητας της μονάδας απεικόνισης LED, τον καταχωρητή ορίου σάρωσης που ορίζει τον αριθμό των ψηφίων που θα σαρώνονται, τον καταχωρητή τερματισμού λειτουργίας και τον καταχωρητή που κάνει να φωτίζουν όλα τα LEDs.

Κατάσταση αναμονής

Καθώς οι οδηγοί ντισπλέϊ ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221 μπαίνουν σε κατάσταση αναμονής, η μονάδα απεικόνισης LED αμαυρώνεται ενω τα δεδομένα στους καταχωρητές ψηφίων και ελέγχου παραμένουν ανεπηρέαστα. Μπορούμε να θέσουμε τους οδηγούς ντισπλέϊ ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221 σε κατάσταση αναμονής για εξοικονόμηση ενέργειας ή όταν θέλουμε να αναβοσβήνει η μονάδα απεικόνισης με είσοδο και έξοδο από την κατάσταση αναμονής. Για να θέσουμε το ντισπλέι σε κατάσταση αναμονής στένουμε την διεύθυνση XC και τα δεδομένα την τιμή 0 για ανα μονή και την τιμή 1 για κανονική λειτουργία.

Κατάσταση της αρχής της τροφοδοσίας

Μόλις τροφοδοτηθούν με τάση οι οδηγοί ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221, όλοι οι καταχωρητές ελέγχου τίθενται σε μηδέν, η μονάδα απεικόνισης αμαυρώνεται και οι οδηγοί μπαίνουν σε κατάσταση αναμονής.

Καταχωρητής αποκωδικοποίησης

Ο καταχωρητής αποκωδικοποίησης (Με διεύθυνση = Χ9) ορίζει αποκωδικοποίηση BCD code B (0-9, E, H, L, P, και ) ή οχι αποκωδικοποίηση για κάθε ψηφίο. Κάθε ένα bit του καταχωρητή αποκωδικοποίησης αντιστοιχεί και σε ένα ψηφίο του ντισπλέϊ. Λογικό high επιτρέπει την αποκωδικοποίηση ενώ λογικό low δεν ορίζει αποκωδικοποίηση. Παραδείγματα φαίνονται στον πίνακα 4. Όταν χρησιμοποιείται κωδικοποίηση μόνο τα κατώτερα 4-bit στους καταχωρητές ψηφίων υπολογίζονται ενώ τα υψηλότερα bits D4-D6 αγνοούνται. Το bit D7 ορίζει την υποδιαστολή (SEG DP) το οποίο είναι ανεξάρτητο από την αποκωδικοποίηση και είναι θετικής λογικής. (D7=1 φωτίζεται η υποδιαστολή)
Όταν δεν έχει επιλεγεί αποκωδικοποίηση, τα δεδομένα στα bits D7-D0 αντιστοιχούν στα επτά τμήματα των ψηφίων όταν οδηγούνται από τα ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221. Ο πίνακας 6 δείχνει την αντιστοιχία των bits του καταχωρητή ψηφίων με τα τμήματα του ψηφίου απεικόνισης όταν δεν έχουμε αποκωδικοποίηση.

Έλεγχος φωτεινότητας του display

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221 επιτρέπουν την ρύθμιση της φωτεινότητας του ντισπλέϊ, με μια εξωτερική αντίσταση RSET συνδεδεμένη μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας V+ και του ακροδέκτη ISET. Αυτή η αντίσταση μπορεί να είναι σταθερή ή μεταβλητή για την ρύθμιση της φωτεινότητας από την πρόσοψη της κατασκευής. Η μικρότερη τιμή που θα πρέπει να έχει είναι 9,53ΚΩ
Η φωτεινότητα του ντισπλέϊ μπορεί να ρυθμιστεί ψηφιακά χρησιμοποιώντας τον καταχωρητή φωτεινότητας (διεύθυνση=ΧΑ). Ο ψηφιακός έλεγχος φωτεινότητας του ντισπλέϊ προκαλείται από τον εσωτερικό διαμορφωτή παλμών, ο οποίος ελέγχεται από την χαμηλότερη τετράδα bits του καταχωρητή φωτεινότητας.

Καταχωρητής αριθμού ψηφίων σάρωσης

Ο καταχωρητής αριθμού ψηφίων σάρωσης (Με διεύθυνση=ΧΒ) ορίζει πόσα ψηφία θα σαρώνονται για την απεικόνιση στο ντισπλέϊ που μπορεί να είναι από 1 έως 8. Τα ψηφία απεικονίζονται με την μέθοδο πολυπλεξίας, με τυπικό ρυθμό σάρωσης ίσο με 800Ηz όταν και τα οκτώ ψηφία απεικονίζονται. Ο πίνακας 8 δείχνει πως ορίζεται ο καταχωρητής αριθμού ψηφίων σάρωσης.

Εάν ο καταχωρητής αριθμού ψηφίων σάρωσης οριστεί στα τρία ψηφία ή χαμηλότερα, ο driver κάθε ψηφίου θα καταναλώνει αυξημένη ισχύ. Συνεπώς η τιμή της αντίστασης RSET πρέπει να ρυθμιστεί ανάλογα των ψηφίων που απεικονίζονται για την μείωση της κατανάλωσης ισχύος.

Ο καταχωρητής display – test

Ο καταχωρητής ελέγχου-ντισπλέϊ (με διεύθυνση =XF) λειτουργεί σε δυο καταστάσεις: κανονική και έλεγχος-ντισπλέϊ . Στην κατάσταση έλεγχος-ντισπλέϊ , φωτίζει όλα τα LEDs αλλά δεν μεταβάλλει όλους τους καταχωρητές ελέγχου και ψηφίων. Ο πίνακας 10 δείχνει πως διαμορφώνεται ο καταχωρητής ελέγχου-ντισπλέϊ .

Ο καταχωρητής no-op

Ο καταχωρητής no-op (με διεύθυνση =Χ0) χρησιμοποιείται όταν τα MAX7219 ή MAX7221 συνδέονται διαδοχικά. Συνδέουμε όλους τους ακροδέκτες LOAD/CS μαζί και την έξοδο DOUT στην είσοδο DIN του άλλου. Ο ακροδέκτης DOUT είναι τύπου CMOS logic level output που μπορεί να οδηγήσει τον ακροδέκτη DIN της επόμενης βαθμίδας. Για παράδειγμα εάν τέσσερα ΜΑΧ7219 συνδεθούν διαδοχικά, τότε για να γράψουμε στο τέταρτο τσιπ, στέλνουμε την επιθυμητή 16-bit λέξη ακολουθούμενη από τρεις no-op codes και συγκεκριμένα τρεις φορες Χ0ΧΧ

Επιλογή της αντίστασης RSET

Το ρεύμα ανά τμήμα ψηφίου είναι περίπου 100 φορές το ρεύμα ISET που ρέει από την αντίσταση RSET, που συνδέεται μεταξύ της τροφοδοσίας V+ και του ακροδέκτη ISET. Για να επιλέξεις την αντίσταση RSET δες τον πίνακα 11. Το μέγιστο συνιστώμενο ρεύμα ανά τμήμα για τους οδηγούς ντισπλέϊ ΜΑΧ7221 και ΜΑΧ7219 είναι 40mA.

Σύνδεση τροφοδοσίας

Για να ελαχιστοποιήσουμε την κυμάτωση της τάσης κατά την διάρκεια της λειτουργίας που οφείλονται σε ριπές ρεύματος στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ΜΑΧ7219 και ΜΑΧ7221, συνδέουμε ένα ηλεκτρολυτικό πυκνωτή 10μF και ένα κεραμικό πυκνωτή 100nF μεταξύ της τάσης τροφοδοσίας V+ και της γείωσης GND όσο δυνατόν κοντύτερα στα ΜΑΧ7219 ή ΜΑΧ7221.
Η μονάδα απεικόνισης ντισπλέϊ πρέπει να είναι συνδεδεμένη όσο το δυνατό πιο κοντά στον οδηγό ντισπλέϊ και οι λοιπές διασυνδέσεις να είναι όσο το δυνατό κοντύτερες για να μειωθεί η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ΕΜΙ