STM32 – SPI통신 MAX7219 7-segment 모듈

출처: https://rs29.tistory.com/13

통신 방법 : SPI (최대속도 : 10Mhz)
작동 전압 : 4.0~5.5
환경 : P-NUCLEO-WB55 개발 보드, Atollic TrueSTUDIO

[동작]

16 비트 데이터 포맷 사용 (D15~D12 사용 X)
D11~D8 ADDRESS(명령어 역할), D7~D0 DATA(MSB to LSB, 해당 명령어 설정값)
작동 시작 됐을 때, 모든 컨트롤 레지스터는 리셋, 디스플레이는 비어있는 상태이고 MAX7219는 셧다운 모드에 진입한다
디스플레이를 사용하기 전에 디스플레이 드라이버를 프로그래밍해야한다
그렇지 않으면, 첫번째 자리를 스캔하도록 설정되고 데이터 레지스터의 데이터를 디코딩하지 않으며 밝기 레지스터는 최소값으로 설정된다

– 레지스터 어드레스 맵

MAX7219에 전달할 16비트 데이터 중 상위 8비트에 사용되는 어드레스 목록 (명령어 역할)

– 디코드 모드

디코드 모드 레지스터는 BCD 코드 B(0-9, E, H, L, P, -)를 설정하거나 각 자리에 대해 디코드 미사용 설정
레지스터의 각 비트는 디스플레이 숫자 자리에 해당 (D0=디스플레이 첫째 자리, D1=둘째 자리, …)
로직 하이(1)는 Code B 디코딩을 선택하고 로직 로우(0)는 디코더를 우회한다
코드B 디코드 모드가 사용될 때, 디코더는 숫자 레지스터 데이터의 하위 니블(D3-D0)만을 보고 D4-D6 비트는 무시한다
소수점을 설정하는 D7은 디코더 설정에 대해 독립적이고 로직 1일 때 소수점이 켜진다
디코드 미사용 설정을 한 뒤, 해당 디스플레이 자리의 데이터 비트 D7-D0은 MAX7219의 세그먼트 라인에 해당
(ex : 0x0900 을 전송해 디스플레이 모든 자리를 디코드 미사용으로 설정하고 0x0130 (Digit 0+Segement Line B,C)을 전송하면 디스플레이 첫번째 자리에 세그먼트 라인 B, C가 켜진다)

숫자 레지스터 데이터 / 왼쪽 : 디코드 사용, 오른쪽 : 디코드 미사용

– 밝기 조절

디스플레이 밝기는 Intensity 레지스터를 통해 디지털 방식으로 조절할 수 있다
디스플레이 밝기의 디지털 컨트롤은 intensity 레지스터의 하위 니블로 제어되는 내부 PWM을 통해 제공된다
모듈레이터 스케일은 RSET에 의해 설정된 최대 전류의 최대 31/32에서 1/32까지 16단계로 평균 세그먼트 전류를 조정한다

– 스캔 리미트 레지스터

스캔 리미트 레지스터는 디스플레이의 1~8번째 자리 중 몇개의 자리를 사용할지를 설정한다
스캔된 숫자의 갯수는 디스플레이 밝기에 영향을 주기 때문에 스캔 리미트 레지스터를 디스플레이의 여백 부분으로 사용해서는 안된다 (선두의 의미없는 0을 감추는 것처럼)
표에서 보이는 것처럼 두번째 이상의 자리를 사용하면서 하위 자리의 디스플레이를 미사용하는 것은 불가능하다
(사용 설정을 한 뒤, 해당 자리를 공백으로 채우는 것과는 다름)

– 디스플레이 테스트 레지스터

디스플레이 테스트 레지스터는 테스트 모드, 노멀 모드 설정을 할 수 있다
디스플레이 테스트 모드는 모든 컨트롤 및 자리 레지스터(셧다운 레지스터 포함)를 변경이 아닌 재정의 해서 모든 LED를 켠다
디스플레이 테스트 모드에선 8자리가 스캔되고 31/32 듀티 사이클을 가진다
디스플레이 테스트 레지스터가 노멀 동작으로 재설정되기 전까지는 테스트 모드 유지

– No-Op 레지스터

No-Op 레지스터는 MAX7219를 직렬로 연결할 때 사용
모든 디바이스의 LOAD/CS 인풋을 묶어 연결하고 DOUT을 인접한 디바이스의 DIN에 연결한다
DOUT은 CMOS 로직 레벨 출력으로 연속적으로 직렬 연결된 파트의 DIN을 손쉽게 구동한다
사용 예) 네 개의 MAX 7219가 직렬 연결되어있고 네 번째 칩에 데이터를 쓰기 위해 원하는 16비트 워드를 전송한 다음 3개의 비작동 코드를 전송한다
LOAD/CS 가 HIGH가 될 때, 모든 디바이스의 데이터가 잠긴다.
처음 세 개의 칩은 No-Op 명령어를 수신하고 네번째 디바이스는 목표한 데이터를 수신한다

[CUBE MX 설정]

SPI 설정 / 데이터 사이즈 16 Bits, 보드 레이트 8.0Mbits/s, Hardware NSS Output Signal 사용

STM32WBXX 의 경우, SPI1 보드 레이트는 APB2 Peripheral Clock을 기준으로 정해진다
디폴트 설정인 APB2 Peripheral clock 32Mhz, SPI1 Prescaler 4 의 값으로 SPI1 보드 레이트는 8.0Mbits/s
MAX7219는 데이터를 수신하는 역할만 하므로 Transmit Only Master 선택
NSS – CS 역할 (Master일 경우에만 Output 사용 가능, 사용 보드의 경우 NSS핀으로 PA4 자동 사용 설정)
(Hardware NSS를 사용하지 않고 GPIO를 소프트웨어 컨트롤해 CS 라인을 제어해도 된다)

[코드]

– 정의


/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

#define max7219_SPI hspi1		//MAX7219 통신에 사용되는 SPI를 사용하기 편하게 재정의
//HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI, ...) = HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, ...) (SPI1 사용)

#define max7219_No_Op_Mode 0x00	//No-Op 모드

#define max7219_Decode_Mode 0x09	//디코드 모드

#define max7219_Intensity_Mode 0x0A	//디스플레이 밝기 모드

#define max7219_Scan_Limit_Mode 0x0B	//스캔 리미트 모드

#define max7219_Display_Test_Mode 0x0F	//디스플레이 테스트 모드
#define max7219_Display_Test_Enter 1	//테스트 모드 진입
#define max7219_Display_Test_Exit 0		//테스트 모드 종료, 노멀 모드로 전환

#define max7219_Shutdown_Mode 0x0C	//셧다운 모드
#define max7219_Shutdown_Enter 0		//셧다운 모드 진입
#define max7219_Shutdown_Exit 1		//셧다운 모드 종료, 노멀 모드로 전환

#define max7219_blank 0x0F			//디코드 모드에서 디스플레이 공백 표현에 사용
/* USER CODE END PD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PD */

#define max7219_SPI hspi1 //MAX7219 통신에 사용되는 SPI를 사용하기 편하게 재정의

//HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI, ...) = HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, ...) (SPI1 사용)

#define max7219_No_Op_Mode 0x00 //No-Op 모드

#define max7219_Decode_Mode 0x09 //디코드 모드

#define max7219_Intensity_Mode 0x0A //디스플레이 밝기 모드

#define max7219_Scan_Limit_Mode 0x0B //스캔 리미트 모드

#define max7219_Display_Test_Mode 0x0F //디스플레이 테스트 모드

#define max7219_Display_Test_Enter 1 //테스트 모드 진입

#define max7219_Display_Test_Exit 0 //테스트 모드 종료, 노멀 모드로 전환

#define max7219_Shutdown_Mode 0x0C //셧다운 모드

#define max7219_Shutdown_Enter 0 //셧다운 모드 진입

#define max7219_Shutdown_Exit 1 //셧다운 모드 종료, 노멀 모드로 전환

#define max7219_blank 0x0F //디코드 모드에서 디스플레이 공백 표현에 사용

/* USER CODE END PD */

– 명령 함수


/*
명령어와 명령어에 따른 설정값을 받아와 전송하는 함수
*/
static void max7219_cmd(int cmd, int data)	//cmd=ADDRESS(명령어 역할), data=명령어 설정값
{
	uint16_t write_buffer=0;	//MAX7219에 전송할 16비트 변수
    
	write_buffer=(cmd<<8)|data;		
	//전달받은 명령어는 상위 8비트, 명령어에 따른 설정값은 하위 8비트에 저장
    
	HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI,(uint8_t *)&write_buffer,1);	//MAX7219에 전송

	while(HAL_SPI_GetState(&max7219_SPI)==HAL_SPI_STATE_BUSY_TX)
	{
		//전송 완료까지 대기
	}
}

명령어와 명령어에 따른 설정값을 받아와 전송하는 함수

static void max7219_cmd(int cmd, int data) //cmd=ADDRESS(명령어 역할), data=명령어 설정값

{

uint16_t write_buffer=0; //MAX7219에 전송할 16비트 변수

write_buffer=(cmd<<8)|data;

//전달받은 명령어는 상위 8비트, 명령어에 따른 설정값은 하위 8비트에 저장

HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI,(uint8_t *)&write_buffer,1); //MAX7219에 전송

while(HAL_SPI_GetState(&max7219_SPI)==HAL_SPI_STATE_BUSY_TX)

{

//전송 완료까지 대기

}

16비트 포맷을 사용해야 하므로 MAX7219에 전송할 16비트 변수를 선언
명령어와 명령어에 따른 설정값을 받아와서 앞서 선언한 16비트 변수의 상위 8비트에는 명령어(ADDRESS)를 하위 8비트에는 데이터(명령어 설정값)을 입력한다
MAX7219의 모든 기능이 동일한 데이터 수신 방법을 사용하므로 이 함수만으로도 모든 기능을 사용할 수 있다

– 숫자 입력 함수


/*
숫자를 입력할 자리와 입력할 데이터를 받아와 전송하는 함수
단순히 명령어를 입력하는 것과 디스플레이에 표현할 숫자를 입력하는 것을 구분 짓기 위해 만든 것으로
데이터 전달 방식에서 max7219_cmd() 함수와의 차이는 없다
*/
static void max7219_write_value(int digit, int value, int decimal_point)
//digit=숫자를 입력할 자리(1~8), value=입력할 데이터, 소수점 표현 (0=미사용, 1=사용)
{
	uint16_t write_buffer=0;	//MAX7219에 전달할 16비트 변수 선언
    
    /*
    디코드 모드를 사용할 때, (-, E, H, L, P, ' ')은 아스키 코드값으로 10이 넘는 인티저 값을 갖는 것을 이용
    (value!=0x20) 은 디코드 미사용할 때, 세그먼트 라인 B를 표기하는데 문제가 생기는 것을 막기 위함
    (' ' 과 동일한 값을 같기 때문에 사용자가 0x20을 입력하면 ' ' 취급되어 실제론 0x0F가 입력된다)
    */
	if((20<value)&&(value!=0x20))
	{
		char w_char=(char)value;
		switch(w_char)
		{
			case '-' :
				value=0x0A;	//디코드 모드에서 '-' 를 표현하기 위한 레지스터 데이터 값
				break;
			case 'e' :
			case 'E' :
				value=0x0B;
				break;
			case 'h' :
			case 'H' :
				value=0x0C;
				break;
			case 'l' :
			case 'L' :
				value=0x0D;
				break;
			case 'p' :
			case 'P' :
				value=0x0E;
				break;
			case ' ' :
				value=0x0F;
				break;
			default :
				break;
		}
	}
	write_buffer=((digit+1)<<8)|value;
	//디스플레이의 자릿수는 0x01부터 시작해 0x08까지 사용

	if(decimal_point==1)
	{
		write_buffer|=0x80;
	}
	//소수점을 사용할 경우, 7번째 비트를 High(1)로 설정

	HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI,(uint8_t *)&write_buffer,1);
	while(HAL_SPI_GetState(&max7219_SPI)==HAL_SPI_STATE_BUSY_TX)
	{

	}
}

숫자를 입력할 자리와 입력할 데이터를 받아와 전송하는 함수

단순히 명령어를 입력하는 것과 디스플레이에 표현할 숫자를 입력하는 것을 구분 짓기 위해 만든 것으로

데이터 전달 방식에서 max7219_cmd() 함수와의 차이는 없다

static void max7219_write_value(int digit, int value, int decimal_point)

//digit=숫자를 입력할 자리(1~8), value=입력할 데이터, 소수점 표현 (0=미사용, 1=사용)

{

uint16_t write_buffer=0; //MAX7219에 전달할 16비트 변수 선언

디코드 모드를 사용할 때, (-, E, H, L, P, ' ')은 아스키 코드값으로 10이 넘는 인티저 값을 갖는 것을 이용

(value!=0x20) 은 디코드 미사용할 때, 세그먼트 라인 B를 표기하는데 문제가 생기는 것을 막기 위함

(' ' 과 동일한 값을 같기 때문에 사용자가 0x20을 입력하면 ' ' 취급되어 실제론 0x0F가 입력된다)

if((20<value)&&(value!=0x20))

{

char w_char=(char)value;

switch(w_char)

{

case '-' :

value=0x0A; //디코드 모드에서 '-' 를 표현하기 위한 레지스터 데이터 값

break;

case 'e' :

case 'E' :

value=0x0B;

break;

case 'h' :

case 'H' :

value=0x0C;

break;

case 'l' :

case 'L' :

value=0x0D;

break;

case 'p' :

case 'P' :

value=0x0E;

break;

case ' ' :

value=0x0F;

break;

default :

break;

}

write_buffer=((digit+1)<<8)|value;

//디스플레이의 자릿수는 0x01부터 시작해 0x08까지 사용

if(decimal_point==1)

{

write_buffer|=0x80;

}

//소수점을 사용할 경우, 7번째 비트를 High(1)로 설정

HAL_SPI_Transmit_IT(&max7219_SPI,(uint8_t *)&write_buffer,1);

while(HAL_SPI_GetState(&max7219_SPI)==HAL_SPI_STATE_BUSY_TX)

{

}

단순히 명령어 전달과 디스플레이 표현을 구분지어 사용하기 위해 선언한 함수
전달하는 데이터의 크기 및 데이터 구조는 명령 함수와 동일하다
소수점 표현의 경우, 7번 비트를 로직 High(1)로 설정해주면 된다
ex ) 디스플레이 2번째 자리에 2. 을 표현하기 위해선 (디스플레이 첫번째 자리 = Digit 0 이라 가정)
상위 8비트 : 디스플레이 4번째 자리 Digit 3 = 0x04 (Digit0=0x01 부터 시작 (0x00 (X))
하위 8비트 : 숫자 2 = 0x02, 소수점 = 0x70 => 0x72

– 초기화 예시


int main(void)
{
  	...
  max7219_cmd(max7219_Shutdown_Mode,max7219_Shutdown_Exit);	//셧다운 모드 종료, 노멀 작동 시작
  max7219_cmd(max7219_Scan_Limit_Mode,0x07);	//스캔 리미트 모드, 0x07=디스플레이 8자리 모두 사용
  max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0xFF);	//디코드 모드, 디스플레이 8자리 모두 디코드 모드로 설정
  max7219_cmd(max7219_Intensity_Mode, 0x08);	//디스플레이 밝기, 중간으로 설정 (0x00~0x0F 16단계)
  
}

int main(void)

{

...

max7219_cmd(max7219_Shutdown_Mode,max7219_Shutdown_Exit); //셧다운 모드 종료, 노멀 작동 시작

max7219_cmd(max7219_Scan_Limit_Mode,0x07); //스캔 리미트 모드, 0x07=디스플레이 8자리 모두 사용

max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0xFF); //디코드 모드, 디스플레이 8자리 모두 디코드 모드로 설정

max7219_cmd(max7219_Intensity_Mode, 0x08); //디스플레이 밝기, 중간으로 설정 (0x00~0x0F 16단계)

}

작동이 시작 됐을 때 MAX7219는 셧다운 모드에 진입한다고 되있었으므로 셧다운 모드 종료를 먼저 실행
디스플레이를 사용하기 전에 프로그래밍을 하지 않을 경우, 첫째 자리를 스캔하도록 설정되고 데이터 레지스터의 데이터를 디코딩하지 않으며 밝기 레지스터는 최소값으로 설정되므로
스캔 리미트 모드에서 디스플레이 8자리 모두 사용 설정 (0x00~0x07)
디코드 모드에서 디스플레이 8자리 모두 디코드 모드 사용 설정 (데이터 비트=디스플레이 자릿수, 1=디코드 사용)
디스플레이 밝기 모드에서 16단계 중 9단계로 설정

– 단순 사용 예시


int main(void)
{
	...
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  
  max7219_cmd(max7219_Shutdown_Mode,max7219_Shutdown_Exit);
  max7219_cmd(max7219_Scan_Limit_Mode,0x07);
  max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0x00);	//디스플레이 모든 자리 디코드 미사용
  max7219_cmd(max7219_Intensity_Mode, 0x08);
  
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    
	  max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0);	//모든 자리 디코드 미사용
      
	  for(uint8_t i=0;i<8;i++)	//디스플레이 모든 자리 공백으로 초기화
	  {
	  	max7219_write_value(i,0,0);
	  	//디코드 모드 공백 : 0x0F, 디코드 미사용 공백 : 0x00
  	  }
  
 	  for(int i=0;i<8;i++)
  	  {
	  	  int k=0;
	  	  for(int j=0;j<8;j++)
	  	  {
		  	  max7219_write_value(i,k|=(0x01)<<j,0)	
		  	  //비트0 부터 MSB로 1비트씩 비트 시프트 및 OR 연산으로 해당 자리의 모든 세그먼트 라인을 켬
		  	  HAL_Delay(100);
	  	  }
	  }
      
      
	  max7219_cmd(max7219_Decode_Mode,0xFF);	//모든 자리 디코드 사용
      
	  for(uint8_t i=0;i<8;i++)
	  {
		  max7219_write_value(i,max7219_blank,0);	
		  //디스플레이 모든 자리 공백으로 초기화 (DATA : 0x0F)
	  }
      
	  for(uint8_t i=0;i<8;i++)
	  {
		  max7219_write_value(i,'-',1);	//디스플레이 -. (소수점 표기 사용)으로 채움
		  HAL_Delay(500);
	  }
      
	  for(uint8_t i=0;i<8;i++)
	  {
		  max7219_write_value(i,i,0);	//디스플레이 자릿수와 일치하는 숫자로 채움
		  HAL_Delay(500);
	  }
	  max7219_write_value(7,'H',0);
	  HAL_Delay(500);
	  max7219_write_value(6,'E',0);
	  HAL_Delay(500);
	  max7219_write_value(5,'L',0);
	  HAL_Delay(500);
	  max7219_write_value(4,'P',0);
	  HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

int main(void)

{

...

/* USER CODE BEGIN 2 */

max7219_cmd(max7219_Shutdown_Mode,max7219_Shutdown_Exit);

max7219_cmd(max7219_Scan_Limit_Mode,0x07);

max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0x00); //디스플레이 모든 자리 디코드 미사용

max7219_cmd(max7219_Intensity_Mode, 0x08);

/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */

/* USER CODE BEGIN WHILE */

while (1)

{

/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */

max7219_cmd(max7219_Decode_Mode, 0); //모든 자리 디코드 미사용

for(uint8_t i=0;i<8;i++) //디스플레이 모든 자리 공백으로 초기화

{

max7219_write_value(i,0,0);

//디코드 모드 공백 : 0x0F, 디코드 미사용 공백 : 0x00

}

for(int i=0;i<8;i++)

{

int k=0;

for(int j=0;j<8;j++)

{

max7219_write_value(i,k|=(0x01)<<j,0)

//비트0 부터 MSB로 1비트씩 비트 시프트 및 OR 연산으로 해당 자리의 모든 세그먼트 라인을 켬

HAL_Delay(100);

}

max7219_cmd(max7219_Decode_Mode,0xFF); //모든 자리 디코드 사용

for(uint8_t i=0;i<8;i++)

{

max7219_write_value(i,max7219_blank,0);

//디스플레이 모든 자리 공백으로 초기화 (DATA : 0x0F)

}

for(uint8_t i=0;i<8;i++)

{

max7219_write_value(i,'-',1); //디스플레이 -. (소수점 표기 사용)으로 채움

HAL_Delay(500);

}

for(uint8_t i=0;i<8;i++)

{

max7219_write_value(i,i,0); //디스플레이 자릿수와 일치하는 숫자로 채움

HAL_Delay(500);

}

max7219_write_value(7,'H',0);

HAL_Delay(500);

max7219_write_value(6,'E',0);

HAL_Delay(500);

max7219_write_value(5,'L',0);

HAL_Delay(500);

max7219_write_value(4,'P',0);

HAL_Delay(500);

}

/* USER CODE END 3 */

}

디스플레이 모든 자리 사용, 디코드 미사용, 밝기 9단계로 초기화
디스플레이 모든 자리를 공백으로 초기화 (디코드 미사용일 때 공백을 표현하기 위한 데이터값은 0x00)
디스플레이 0번부터 7번까지 순차적으로 세그먼트 라인을 하나씩 채워나감
디스플레이 모든 자리를 디코드 사용으로 바꾼 뒤 공백으로 초기화 (디코드 모드 공백 데이터 : 0x0F)
(디코드 사용/미사용 전환을 해도 각 자리의 레지스터 데이터는 유지된 상태로 존재하기 때문에 디코드 사용/미사용에 따라 디스플레이 표현만 변한다)
디스플레이 0번부터 7번까지 순차적으로 ‘-.’ 문자를 표시
디스플레이 자리와 동일한 숫자값을 디스플레이 0번부터 7번까지 순차적으로 표현
디스플레이 7번부터 4번까지 순차적으로 H, E, L, P 문자 데이터 입력

디스플레이의 5번째 자리에 숫자 5를 입력했을 때

디스플레이 자리는 0x01(=0번째)부터 시작하므로 상위 8비트 0x06은 Digit 5(다섯번째 자리)를 ADDRESS로 사용했음을 의미한다
하위 8비트는 0x05이므로 디스플레이 다섯번째 자리에 숫자 5가 표현된다

[동작]

[CUBE MX 설정]

[코드]

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