近年來，單片機系統以其體積小、功能強、擴展靈活、使用方便等優點，逐漸滲透到各行業的工程實際應用中。而LED顯示電路就像單片機系統的眼睛，實時地向人們傳遞著系統工作的各種狀態信息和處理結果。因此，高效、方便的LED顯示驅動電路是構成完善的單片機系統必不可少的元素。常用的LED顯示驅動電路有并行譯碼方式、串行—并行轉換方式、顯示驅動接口芯片方式等。下面分別對這幾種方式進行討論，并給出顯示驅動芯片MAX7219的應用實例。
并行譯碼顯示方式
圖1為單片機89C2051輸出顯示的一個例子，4位BCD碼數據從其P1.0～P1.3并行輸出，經7段LED顯示驅動電路CD4511譯碼后驅動LED顯示，這樣只需向P1.0～P1.3 寫入欲顯示數字的BCD碼，即可顯示出相應的數字。這種方式雖然簡單，但占用單片機口線較多，資源利用率低，因此不常采用。
圖1 并行譯碼顯示方式
串行- 并行轉換方式
圖2所示為89C2051的串口驅動數碼管的電路，其中串口工作在方式0，74LS164是8位串入并出移位寄存器，負責將RXD輸出的串行數據轉換成并行信號。顯然，這種方式顯示同樣的位數使用單片機的口線大大減少，并且可以讓LED顯示BCD碼以外的字符(如A、B、C、D 等)，但是，當要顯示的位數較多時，仍需占用較多的口線，并且在許多情況下需要串口工作在UART方式，以便進行串行通信，從而限制了這種方式的使用范圍。
圖2 并行譯碼顯示方式
LED顯示驅動芯片
隨著單片機技術的發展，許多公司都推出了專用LED顯示驅動芯片，如Microchip公司的A Y0438、Maxim公司的MAX7219等都是其中的典型代表。下面以MAX7219為例說明LED顯示驅動芯片在單片機系統中的應用。
MAX7219簡介
MAX7219是Maxim公司推出的8位LED串行顯示驅動器，它采用3線串口傳送數據，占用資源少且硬件簡單，只需一個外部電阻即可方便地調節LED的亮度；可靈活地選擇顯示器的個數( 1～8個, 級聯可成倍增加)；可進行譯碼或不譯碼顯示；內含硬件動態掃描控制，可設置低功耗停機方式。
引腳功能和工作原理
MAX7219采用24腳雙列直插式封裝，其引腳如圖3所示。SEGA～SEGG和DP分別為LED七段驅動器線和小數點線，供給顯示器源電流；DIG0～DIG7為8位數字驅動線，輸出位選信號，從每位LED共陰極吸入電流。
圖3 MAX7219 引腳功能
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最高頻率可達10MHz，在輸入時鐘的每個上升沿均有一位數據由DIN端移入到內部寄存器中；LOAD用來裝載數據，在LOAD的上升沿，16位串行數據被鎖存到數據或控制寄存器中，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, 否則數據將被丟失。每組數據為16 位二進制數據包，其格式如表1所示。
其中D15～D12位不用，D11～D8位為內部5個控制寄存器和8個LED顯示數據寄存器的地址，D7～D0位為5個控制寄存器和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獨立編址，所以可以通過程序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，每16 位為一組，從高位地址字節最高位開始送，直到低位數據字節最后一位。MAX7219內部有14個可尋址的控制字寄存器，各寄存器的功能及地址如表2所示。
其中，地址×0H 為空操作寄存器，允許數據從輸入到輸出直接通過，可用于設備串接。地址×1H～×8H為顯示RAM區，分別對應DIG0～DIG7引腳的8 位LED顯示數據。地址×9H為譯碼模式寄存器，其8 位二進制數分別控制著8個LED顯示器的譯碼模式，邏輯高電平時選擇硬件譯碼(BCD - B碼譯碼)， 譯碼器選擇數據寄存器中的低4位(D3～D0)進行BCD- B碼譯碼， ×0H～×9H對應BCD碼字符0～9，而×AH～×FH分別對應B碼字符-、E、H、L、P及消隱，D4～D6無效，D7單獨控制小數點；譯碼模式寄存器為邏輯低電平時選擇軟件譯碼，數據D6～D0分別對應LED顯示器的A～G段，D7對應小數點DP。
地址×AH為顯示亮度寄存器，通過對該寄存器的D0～D3位寫入不同的數值可實現對LED顯示亮度的控制，從00H到0FH共16級可調。地址×BH為掃描界限寄存器，其D0～D3位數值設定為00H～07H，表示顯示器動態掃描個數為1～8。地址×CH為停機寄存器，當其D0位為0時，MAX7219處于停機狀態，掃描振蕩器停振，所有顯示器消隱，寄存器數據保持不變；當D0為1時，正常工作。地址×FH為顯示測試寄存器，當其D0位為0時，正常工作；當D0為1時處于測試狀態，全部LED顯示器的所有字段都以最大亮度接通顯示。
應用舉例
圖4 為MAX7219的位LED顯示電路實例。圖4中，單片機89C2051的P1.0、P1.1分別接MAX7219的串行數據輸入端DIN和時鐘信號CLK, P1.2作為LOAD信號。電阻R根據不同的LED選值，范圍在7KΩ～ 60KΩ之間。
圖4 MAX7219 應用電路
結語
通過以上對比，并行譯碼方式電路最簡單，但是資源利用率低，因此并不常用，串行- 并行轉換方式在小型系統中應用具有很強的優勢，但隨著單片機應用系統的發展，很多復雜系統中都采用了專用顯示驅動芯片。從上述應用實例可以看出，使用MAX7219 后，系統硬件結構簡潔、程序流程清晰、控制靈活方便，應用于儀器儀表、醫療設備及智能家電等領域，可省去很多鎖存器、譯碼器及驅動器，大大提高顯示部分的集成程度，因此這種顯示驅動方式在單片機系統設計中有著廣闊的應用前景。 |
