# 使用 MAX7219 驅動七段顯示器
在前一篇教學裡，介紹了如何利用 74HC595 shift register 驅動七段顯示器的基本概念。在接下來的文章中，將會說明如何使用另一顆 LED 驅動 IC：MAX7219，來驅動七段顯示器 (最高支援八個七段顯示器；換句話說，相當於同時驅動 64 顆 LED)。藉由修改 74HC595 教學範例的程式，使 LinkIt 7697 得以使用[八位數七段顯示器模組](https://robotkingdom.com.tw/product/%E5%85%AB%E4%BD%8D%E6%95%B8%E4%B8%83%E6%AE%B5%E9%A1%AF%E7%A4%BA%E5%99%A8-595%E9%A9%85%E5%8B%95/) (內建 MAX7219)，並透過這個過程讓開發者了解 MAX7219 的主要功能及運作機制。
### 目錄
* 目錄
* 指令格式
* 硬體接線
* 暫存器定義
* Decode Mode (0x09)
* Digit 0 \~ Digit 7 data (0x01 \~ 0x08)
* Intensity (0x0A)
* Scan Limit (0x0B)
* Shutdown (0x0C)
* Display Test (0x0F)
* 範例：顯示遞增數值
* 結論
### 指令格式
在深入解析 MAX7219 前，第一步要先了解如何與 MAX7219 溝通。執行任何一項 MAX7219 的功能時，都需要對它發出指令，待 MAX7219 收到指令後，它會依指令更新其內部暫存器的值、進而觸發動作。指令格式為固定 16-bit 長度的「暫存器位址 / 資料數值」組合，各個位元的定義如下 (X 表示可為任意值)：
發送指令的方式為：拉低 **LOAD** 訊號、在 **CLK** 訊號打 16 個時脈的過程中，透過 **DIN** 腳位依序把 16-bit 的指令送進 MAX7219，送完後拉高 **LOAD** 訊號即完成一筆指令的傳輸。對應的時序圖示意為：
透過使用 [shiftOut()](https://www.arduino.cc/en/Reference/ShiftOut) API 產生時脈訊號及傳送資料，在 Arduino 裡的實作如下：
```
// define pins used on LinkIt 7697
// pin 13 of MAX7219 (CLK)
const int clock_pin = 15;
// pin 12 of MAX7219 (LOAD)
const int data_latch_pin = 16;
// pin 1 of MAX7219 (DIN)
const int data_input_pin = 17;
// update the register value of MAX7219
void set_register(byte address, byte value)
{
digitalWrite(data_latch_pin, LOW);
shiftOut(data_input_pin, clock_pin, MSBFIRST, address);
shiftOut(data_input_pin, clock_pin, MSBFIRST, value);
digitalWrite(data_latch_pin, HIGH);
}
```
### 硬體接線
LinkIt 7697 透過下列腳位與八位數顯示器模組相連：
* 5V
* GND
* P15
* P16
* P17
該五隻腳位分別接到顯示模組上的：
* VCC
* GND
* CLK
* CS (即 MAX7219 的 LOAD 腳位)
* DIN
接線示意圖為：
{% hint style="danger" %}
顯示模組需使用 5V 電源輸入，若僅供給 3.3V 則顯示器亮度會受到影響。
{% endhint %}
### 暫存器定義
要順利驅動 MAX7219，需正確設定對應的暫存器。在此範例中，開發者需要設定下列六類型的暫存器：
| 暫存器名稱 | 位址 | 說明 |
| ----------------------- | ------------ | -------------------------- |
| Decode Mode | 0x09 | 開啟 / 關閉 decode 模式 |
| Intensity | 0x0A | 調整顯示器亮度 |
| Scan Limit | 0x0B | 設定欲啟動的顯示器數目 |
| Shutdown | 0x0C | 開啟 / 關閉顯示模組 |
| Display Test | 0x0F | 開啟 / 關閉測試模式 (顯示器的所有筆畫皆會亮起) |
| Digit 0 \~ Digit 7 data | 0x01 \~ 0x08 | 控制位數 0 到位數 7 的顯示資料 |
在 Arduino 範例程式裡將它們定義為：
```
// the MAX7219 address map (datasheet table 2)
#define MAX7219_DECODE_REG (0x09)
#define MAX7219_DIGIT_REG(pos) ((pos) + 1)
#define MAX7219_INTENSITY_REG (0x0A)
#define MAX7219_SCANLIMIT_REG (0x0B)
#define MAX7219_SHUTDOWN_REG (0X0C)
#define MAX7219_DISPLAYTEST_REG (0x0F)
```
針對各個暫存器，對應的操作說明及範例如下：
#### Decode Mode (0x09)
MAX7219 針對每個顯示器，皆分別支援兩種資料顯示模式：1) 原始資料模式 2) BCD 碼模式。例如：
```
set_register(MAX7219_DECODE_REG, B00011010);
```
此例中，位元 1、3、4 被設為 **1**，因此表示位數 1、位數 3、位數 4 被設定為 **BCD 碼 decode 模式**。而剩下的位數 0 / 2 / 5 / 6 / 7 則為**原始資料模式**。
#### Digit 0 \~ Digit 7 data (0x01 \~ 0x08)
在**原始資料模式**中，開發者需自行指定七段顯示器中每個筆畫的明滅資訊，就如同 74HC595 教學中提及的一樣。
舉例來說，若開發者想在位數 **3** 顯示數字 "7"，表示七段顯示器的筆畫 "A"、"B"、"C" (參考上圖) 需要被開啟；對應到暫存器的值，即 Digit 3 暫存器的第 4、5、6 個位元 (上圖表格) 需設定為 1：
```
set_register(MAX7219_DIGIT_REG(3), B01110000);
```
雖然在原始資料模式中指定筆畫的方式較為複雜，但它提供了開發者顯示各種圖形組合的彈性：
除了原始資料模式外，MAX7219 還提供了另一種叫做 **BCD 碼 decode 模式**的操作方法。在 **decode 模**式下，每個字的筆畫構成已被事先定義、並依照 BCD 碼 B 區 (見下表) 的規範儲存在 MAX7219 當中。因此要顯示這些字時，僅需提供每個字所對應的索引編號即可。
**\*不論在原始資料模式或是 decode 模式中，若要顯示小數點，都需自行將 Digit 暫存器的第 7 位元 (D7) 設成 1。**
也就是說，若開發者要顯示數字 "0" 到 "9"、"-"、"E"、"H"、"L"、"P" 及 " " (空格) 這十六種字元，在 decode 模式下，不需自行傳送筆畫定義資訊給 MAX7219、直接給 MAX7219 字元的索引值即可。例如，要使用 decode 模式在位數 5 顯示子母 "E"，則需把 Decode Mode 暫存器的 D5 設成 1，接著把 Digit 5 data 暫存器設為 11 (也就是二進位的 B1011，見上表定義)，就可以讓顯示器顯示出字母 "E"。對應的程式碼如下：
```
// Make Digit 5 is under BCD Code B decode mode
set_register(MAX7219_DECODE_REG, B00100000);
// Make it display character "E"
set_register(MAX7219_DIGIT_REG(5), 11);
```
#### Intensity (0x0A)
調整 LED 顯示器的亮度。值域範圍為 0x0 (最暗) 到 0xF (最亮)。
```
// Dimmest
set_register(MAX7219_INTENSITY_REG, 0x0);
// Brightest
set_register(MAX7219_INTENSITY_REG, 0xF);
```
#### Scan Limit (0x0B)
設定模組上要開啟的顯示器個數 (即顯示位數)。下面分別為開啟一個位數、五個位數、以及八位數全開的範例：
```
// Only Digit 0 are turned on
set_register(MAX7219_SCANLIMIT_REG, 0);
// Only Digit 0 ~ Digit 4 are turned on
set_register(MAX7219_SCANLIMIT_REG, 4);
// All digits (Digit 0 ~ Digit 7) are turned on
set_register(MAX7219_SCANLIMIT_REG, 7);
```
#### Shutdown (0x0C)
開啟 / 關閉顯示器模組。
```
#define MAX7219_OFF (0x0)
#define MAX7219_ON (0x1)
// Turn off the display
set_register(MAX7219_SHUTDOWN_REG, MAX7219_OFF);
// Turn on the display
set_register(MAX7219_SHUTDOWN_REG, MAX7219_ON);
```
#### Display Test (0x0F)
開啟 / 關閉測試模式。開啟此模式時，顯示器的所有筆畫都會亮起。
```
// Enter test mode. No matter what data bytes of each digit register are, all display segments are on
set_register(MAX7219_DISPLAYTEST_REG, MAX7219_ON);
// Non-test mode. Display segments according to the data byte and decode mode for each digit
set_register(MAX7219_DISPLAYTEST_REG, MAX7219_OFF);
```
### 範例：顯示遞增數值
結合上述的暫存器說明並修改之前的 74HC595 範例，下列的 Arduino sketch 展示了如何在八位數七段顯示器模組上顯示遞增數值 (及小數點移動) 的效果。
{% embed url="" %}
```
//
// Use one MAX7219 to control 8-digit seven-segment display
// the display module: http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/20686
//
// MAX7219 datasheet: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX7219-MAX7221.pdf
//
// the MAX7219 address map (datasheet table 2)
#define MAX7219_DECODE_REG (0x09)
#define MAX7219_INTENSITY_REG (0x0A)
#define MAX7219_SCANLIMIT_REG (0x0B)
#define MAX7219_SHUTDOWN_REG (0X0C)
#define MAX7219_DISPLAYTEST_REG (0x0F)
#define MAX7219_DIGIT_REG(pos) ((pos) + 1)
// shutdown mode (datasheet table 3)
#define MAX7219_OFF (0x0)
#define MAX7219_ON (0x1)
// pin 13 of MAX7219 (CLK)
const int clock_pin = 15;
// pin 12 of MAX7219 (LOAD)
const int data_latch_pin = 16;
// pin 1 of MAX7219 (DIN)
const int data_input_pin = 17;
// digit pattern for a 7-segment display. datasheet table 5
const byte digit_pattern[16] =
{
B01111110, // 0
B00110000, // 1
B01101101, // 2
B01111001, // 3
B00110011, // 4
B01011011, // 5
B01011111, // 6
B01110000, // 7
B01111111, // 8
B01111011, // 9
B01110111, // A
B00011111, // b
B01001110, // C
B00111101, // d
B01001111, // E
B01000111 // F
};
#define DP_FLAG (B10000000)
#define NUM_OF_DIGITS (8)
unsigned int counter = 0;
unsigned int digit_base = 16;
// update the register value of MAX7219
void set_register(byte address, byte value)
{
digitalWrite(data_latch_pin, LOW);
shiftOut(data_input_pin, clock_pin, MSBFIRST, address);
shiftOut(data_input_pin, clock_pin, MSBFIRST, value);
digitalWrite(data_latch_pin, HIGH);
}
void init_max7219()
{
// disable test mode. datasheet table 10
set_register(MAX7219_DISPLAYTEST_REG, MAX7219_OFF);
// set medium intensity. datasheet table 7
set_register(MAX7219_INTENSITY_REG, 0x8);
// turn off display. datasheet table 3
set_register(MAX7219_SHUTDOWN_REG, MAX7219_OFF);
// drive 8 digits. datasheet table 8
set_register(MAX7219_SCANLIMIT_REG, 7);
// no decode mode for all positions. datasheet table 4
set_register(MAX7219_DECODE_REG, B00000000);
}
void setup()
{
// init pin states
pinMode(clock_pin, OUTPUT);
pinMode(data_latch_pin, OUTPUT);
pinMode(data_input_pin, OUTPUT);
// init MAX2719 states
init_max7219();
}
void loop()
{
int i;
unsigned int number;
unsigned int digit_value;
byte byte_data;
number = counter++;
// turn off display first
set_register(MAX7219_SHUTDOWN_REG, MAX7219_OFF);
// get every values in each position of those 8 digits based on "digit_base"
//
// digit_base should be <= 16
//
// for example, if digit_base := 2, binary values will be shown. If digit_base := 16, hexidecimal values will be shown
//
for (i = 0; i < NUM_OF_DIGITS; i++)
{
digit_value = number % digit_base;
number /= digit_base;
byte_data = digit_pattern[digit_value];
if (counter % NUM_OF_DIGITS == i)
{
byte_data |= DP_FLAG;
}
set_register(MAX7219_DIGIT_REG(i), byte_data);
}
// turn on display
set_register(MAX7219_SHUTDOWN_REG, MAX7219_ON);
delay(50);
}
```
此範例的基本配置如下：
* 以十六進位遞增數值。
* 使用**原始資料模式**定義字元筆畫，
* 使用中等顯示亮度。
可透過一些修改進行顯示效果的改變。例如，要從原本的 16 進位數值變為 10 進位 / 8 進位 / 2 進位模式時，可修改**第 52 行**的 *digit\_base* 將之設定為 10、8 或是 2。下面的程式碼為修改成 10 進位的範例：
```
// change the counting mode to decimal mode
unsigned int digit_base = 10;
```
若要將資料解讀模式從**原始資料模式**改為 **BCD 碼 decode 模式**，則需要修改兩個地方。首先在**第 74 行**將八個顯示器都設定為 decode 模式：
```
// enable decode mode for all positions. datasheet table 4
set_register(MAX7219_DECODE_REG, B11111111);
```
接著在**第 111 行**，將送進 MAX7219 的資料從筆畫資訊改為索引索引值：
```
digit_value = number % digit_base;
number /= digit_base;
// no need to get the raw segment patterns. use the value directly to index the BCD code
byte_data = digit_value; // byte_data = digit_pattern[digit_value];
```
### 結論
透過本教學的內容，開發者可了解 MAX7219 的使用方法。雖然 MAX7219 的主要功能為驅動七段顯示器，但它也可用於其他的 LED 驅動場景。例如 [8x8 矩陣式顯示器](https://robotkingdom.com.tw/product/max7219dotmatrix/)就是另一種常見的 MAX7219 應用：利用**原始資料模式**的設定方法來控制矩陣式顯示器。詳細的原理及做法，將會在下一篇教學裡進行詳細介紹。