河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陸宇立 張秋容 張濤川 楊 偉

基于MAX7219的顯示模塊在臺達(dá)PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陸宇立 張秋容 張濤川 楊 偉

MAX7219是一款8位LED顯示驅(qū)動(dòng)控制芯片，由其構(gòu)造的顯示模塊，具有顯示位數(shù)多、控制端子少、亮度可控且成本低廉等特點(diǎn)。文章重點(diǎn)介紹了實(shí)際應(yīng)用中遇到的硬件和軟件方面技術(shù)技巧問題，而結(jié)構(gòu)原理則簡敘。

MAX7219；LED；DVP；PLC

1.引言

可編程控制器（簡稱PLC）在自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用非常普遍，與其配套使用的有各種品牌種類的文本屏和觸摸屏。這些人機(jī)界面，很好地解決了控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)輸入、鍵盤輸入及數(shù)據(jù)顯示問題。今有某設(shè)備，因產(chǎn)品升級，控制器改為PLC，但保留原MAX7219顯示模塊電路（臺達(dá)PLC型號為DVP24EC00T3）。

MAX7219是一款集成化的串行輸入顯示驅(qū)動(dòng)器，它接收微處理器串行數(shù)據(jù)，控制至多8位共陰數(shù)碼管顯示，或控制至多64線條顯示器或64個(gè)獨(dú)立的發(fā)光LED。除了5V電源線，只需3根口線連接微處理器。LED亮度可調(diào)，硬件設(shè)定發(fā)光段最大電流，軟件設(shè)定16級亮度。數(shù)碼管1-8位，亮度與顯示位數(shù)無關(guān)，顯示無頻閃，支持級聯(lián)。顯示效果如圖1所示，每位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)都可單獨(dú)點(diǎn)亮。

2.MAX7219的組成結(jié)構(gòu)與控制

2.1 MAX7219內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。24PIN，有“窄DIP雙列直插”、“寬SO貼片”和“CERDIP”三種封裝。其中：

引腳A-G、DP數(shù)碼管8段碼驅(qū)動(dòng)線（含小數(shù)點(diǎn)）。

引腳DIG0-7為數(shù)碼管位碼驅(qū)動(dòng)線，分別控制8個(gè)共陰數(shù)碼管的公共端。

引腳18，硬件設(shè)定亮度端。所接RSET阻值決定了LED最大段電流。如：外接10K電阻，最大段電流約在38mA～54mA之間。外接20K電阻，最大段電流約在20mA～30mA之間。阻值越小，段電流越大。而實(shí)際電流還與組成數(shù)碼管的每段LED的額定工作電壓相關(guān)，要根據(jù)環(huán)境亮度需求調(diào)整電阻值。

引腳DIN/DOUT/CLK/LOAD：DIN串行數(shù)據(jù)輸入端；DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，級聯(lián)用；CLK移位時(shí)鐘脈沖，上升沿有效；LOAD鎖存控制端，上升沿有效。

MAX7219內(nèi)部還有5個(gè)控制寄存器和8個(gè)數(shù)據(jù)單元。

2.2 MAX7219指令數(shù)據(jù)的組成

MAX7219一條完整指令或數(shù)據(jù)由16位二進(jìn)制位構(gòu)成，如表1，其中，高8位中的低4位為MAX7219內(nèi)部單元與控制寄存器地址號，低8位為相應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 內(nèi)部address及功能

表2為MAX7219內(nèi)部單元與寄存器地址分配表。

各內(nèi)部控制寄存器和數(shù)據(jù)存儲器說明如下：

(1)地址01~08H：顯示RAM，分別存放8位數(shù)碼管顯示字形或BCD數(shù)字。

(2)地址09H：譯碼方式寄存器，可設(shè)置每位數(shù)碼管BCD譯碼方式或直顯方式。見表3，在BCD譯碼顯示模式，可顯示字形，見表4，共15個(gè)。在非譯碼方式，“DATA”為8段數(shù)碼字形，顯示字形或圖形有更多選擇，如等。兩種模式，“DATA”的D7均為小數(shù)點(diǎn)顯示控制位，=1顯示。

(3)地址0AH：亮度控制寄存器，芯片18腳設(shè)定最大段電流，此處將最大段電流數(shù)控16級，0H最小亮度，0FH最大亮度。

(4)地址0BH：掃描范圍寄存器，設(shè)定值0H~7H，分別表示實(shí)際數(shù)碼管有1~8個(gè)。

(5)地址0CH：關(guān)閉顯示寄存器，其中D7~D1位可任意。D0=0，關(guān)閉所有顯示器；D0=1，允許顯示。

(6)地址0FH：顯示測試寄存器，其中D7~D1位可任意；D0=0，LED處于正常工作狀態(tài)；D0=1，允許顯示。LED處于顯示測試狀態(tài)。在測試狀態(tài)，不管MAX7219其它寄存器設(shè)置，所有LED筆劃（含小數(shù)點(diǎn)）將按最大亮度顯示。

MAX7219每次上電，這些控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)值，所以，在顯示程序之前，必須初始化5個(gè)控制寄存器。然后寫入顯示數(shù)據(jù)。MAX7219自動(dòng)完成動(dòng)態(tài)顯示掃描。本例中寫入的5個(gè)初始化數(shù)據(jù)是H09FF/H0A07/ H0B05/H0C01/H0F00。

2.4 MAX7219控制時(shí)序

圖3為MAX7219數(shù)據(jù)寫入時(shí)序圖。根據(jù)時(shí)序，在LOAD＝0才可接收移入數(shù)據(jù)。DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端。CLK移位脈沖，頻率可達(dá)10MHz，在CLK的每個(gè)上升沿，均有1位數(shù)據(jù)由DIN移入到內(nèi)部鎖存器暫存。LOAD必須在D0位CLK上升沿的同時(shí)或之后、至下一個(gè)CLK上升沿之前變高，否則數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。只有LOAD上升沿信號，才能把暫存在鎖存器數(shù)據(jù)裝載到內(nèi)部相應(yīng)RAM或寄存器。

根據(jù)圖3控制時(shí)序，可以作如下時(shí)序分解。

首先，在無寫入行為時(shí)，保持LOAD=1，可屏蔽CLK時(shí)鐘線，有效阻止干擾寫信號。

在準(zhǔn)備寫入一幀數(shù)據(jù)前，先增加兩個(gè)起步：第0步，LOAD=1，CLK=0；第1步，LOAD=0，CLK=0。第2步到第16步，保持LOAD=0。第17步，即D0位，在CLK上升沿的同時(shí)或之后、至下一個(gè)CLK上升沿前，產(chǎn)生LOAD=1。在本例中，是在CLK之后的第18步產(chǎn)生LOAD上升沿。

2.5 PLC簡介

臺達(dá)DVP24EC00T3，是一款經(jīng)濟(jì)型PLC，14點(diǎn)I和10點(diǎn)O，晶體管漏型NPN輸出，帶一485口，不可擴(kuò)展。EC系列內(nèi)部資源有：XY編號均可至128、M特殊繼電器M1000（280點(diǎn)，與FX的M8000基本對應(yīng)）、T定時(shí)器T0~T127（1ms定時(shí)器僅T127），變址寄存器E/F，跳轉(zhuǎn)指針P0～P63。指令與編程方法和三菱FX基本相同，初次用感覺不遜FX：指令無限制，高速脈沖輸出頻率更高，支持雙軸直線和圓弧插補(bǔ)等。編程軟件要用WPLSOFT_V2.20版。

3.MAX7219與PLC的硬件連接

MAX7219顯示模塊接受TTL電平，PLC的Y0/ Y1/Y2，接上拉電阻至+5V。根據(jù)資料，流過晶體管電流大小，不影響導(dǎo)通速度，但影響關(guān)斷，電流越小晶體管關(guān)斷時(shí)間越長，影響工作頻率，一般電流在100mA以上，關(guān)斷延時(shí)可忽略。此處工作頻率不高，電阻選1KΩ。

設(shè)計(jì)電路板時(shí)要注意幾點(diǎn)：MAX7219應(yīng)放在緊靠LED顯示器的地方，使連線盡可能短；芯片的4/9PIN單獨(dú)連到0V上；在V+和GND之間盡可能靠近芯片的地方外接10μF的電解電容和0.1μF的瓷片電容；在信號LOAD、CLK、DIN各接0.01～0.033(μF)瓷片電容。如果是購買的成品模塊，信號線上拉電阻要改1KΩ以下、補(bǔ)焊瓷片電容。這些措施，才能消除顯示電流引起的紋波和工業(yè)現(xiàn)場對顯示的干擾。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1 整體程序設(shè)計(jì)

在PLC上電工作開始，完成MAX7219顯示模塊的初始化，然后送顯示數(shù)據(jù)。以后在每次顯示內(nèi)容更新時(shí)，8個(gè)顯示RAM全部發(fā)送一遍。

表1 MAX7219一條指令數(shù)據(jù)的組成

表2 MAX7219內(nèi)部單元與寄存器地址分配表

表3 MAX7219譯碼寄存器設(shè)置

表4 譯碼方式可顯示字形

圖1 MAX7219顯示模塊工作圖片

圖2 MAX7219內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

4.2 子程序設(shè)計(jì)

建立3個(gè)子程序P0/P2/P4。

圖3 MAX7219寫入控制時(shí)序圖

圖4 MAX7219顯示模塊與臺達(dá)DVP-24EC連接圖

圖5 刷新MAX7219顯示區(qū)子程序P4流程圖

圖6 16位二進(jìn)制數(shù)移入并寫入MAX7219子程序P0流程圖

子程序P2：MAX7219內(nèi)5個(gè)寄存器初始化程序。

子程序P4：MAX7219內(nèi)8個(gè)顯示RAM內(nèi)容更新程序。流程圖見圖5。子程序P2和P4差不多，只是合成16位數(shù)據(jù)時(shí)生成方法及循環(huán)次數(shù)不同。

圖7 16位二進(jìn)制數(shù)移入并寫入MAX7219子程序P0清單

D7=1點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn) 表中×可為任意值

子程序P0：16位二進(jìn)制數(shù)逐位移入暫存并裝載到內(nèi)部相應(yīng)RAM或寄存器中。P0流程圖見圖6，P0程序清單見圖7。在本段程序中，最大技巧是多次使用“輸出刷新”REF Y0 K8指令，這樣，可以在PLC的一次掃描周期里多次改變Y的輸出，類似單片機(jī)編程方法。

5.結(jié)束語

基于MAX7219的顯示模塊已經(jīng)在客戶設(shè)備的PLC中穩(wěn)定運(yùn)行。但是，根據(jù)自己的使用經(jīng)歷，還是覺得在PLC系統(tǒng)中應(yīng)用不是很方便，主要有：(1)顯示刷新時(shí)間長。一般PLC定時(shí)中斷10ms，定時(shí)器最短1ms，要完成16位二進(jìn)制傳送，至少16ms，照此，要完成8位顯示字符刷新，必需128ms，實(shí)際感覺也是刷新慢，目前也有帶RS232/485的LED顯示模塊可用。(2)可能有亂字符顯示。工業(yè)現(xiàn)場信號干擾嚴(yán)重，硬件必須加瓷片電容，抗干擾效果明顯，但不保證100%。(3)PLC程序可能復(fù)雜。若還需鍵盤輸入一些數(shù)據(jù)，編程特別繁瑣，不如采用性價(jià)比優(yōu)秀的文本屏或觸摸屏。

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Based on the MAX7219 display module in Delta PLC control system application

Yuli Lu，Qiurong Zhang，Taochuan Zhang，Wei Yang
（Heyuan Polytechnic）

MAX7219 is a multiple LED display drive control chip，the structure of display module，a display digits，a control terminal，less controllable brightness and low cost characteristics.The article focuses on the problems in actual application of the hardware and software aspects of technical skills，while the structure principle is simply described.

MAX7219；LED；DVP；PLC

陸宇立，男，助教，研究方向：機(jī)電一體化、現(xiàn)代制造技術(shù)。