14. 連接 MAX7219 LED 矩陣顯示模組

16th鐵人賽

r4forth

2024-08-14 01:50:46

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max7219 簡介

MAX7219 的特點:

序列介面：MAX7219 使用 SPI (Serial Peripheral Interface) 傳輸協議，透過一個 3 線式序列介面連接 LED 顯示模組。
低功耗：耗電量低，可以適用於只能電池供電的應用場景。
可多模組串聯使用: 多個 MAX7219 模組可以串聯，驅動更大的顯示模組(例如 8x16, 16x16 等)。
亮度控制: 內建亮度控制功能，可設定亮度分段。
容易程式控制: 提供資料與位址暫存器，讓開發者可以輕鬆地控制顯示效果。

主要接腳

VCC：電源正極，通常為 5V。
GND：電源正極。
DIN：資料輸入腳位，用來接收控制器發送的資料。
CS (Chip Select)：晶片選擇腳位，當其為低電壓時，MAX7219 晶片啟動。
CLK：時鐘信號腳位，用於同步資料傳輸使用。
DOUT：資料輸出腳位，用來連接下一組 MAX7219 模組。

SPI 傳輸協定介紹

對 SPI 傳輸協訂有興趣的讀者，可以參考 JIMI 陪你玩 ROBOT_SPI Function 205 的教學。

CS：Chip Select，當 Master 要與目標裝置溝通時，會將將該腳位拉成 LOW，訊息開始傳輸，結束後會將 CS 腳位拉成 HIGH，結束通訊。也就因 SPI 是透過 CS 來『確定』與那個裝置溝通，所以當系統上的裝置越多，CS 線路也就越多(MOSI、MISO、CLK仍共用)。
MOSI：英文為 Master Output Slave Input，也就是控制器發出訊息與 Slave 接收訊息的資料線。
MISO：英文為 Master Input Slave Output，此條線路為控制器接收來自 Slave 裝置訊息用。
CLK：Clock 線路，MOSI 或 MISO 資料線的參考時脈。

針對 WiFiBoy Python IoT 玩學機，您應該如此接線:

VCC 對應 Pin1(USB 5V)
GND 對應 Pin2(GND)
DIN 對應 Pin10(GPIO 23) --> VSPI MOSI 介面
CLK 對應 Pin8(GPIO 18) --> VSPI CLK 介面
CS 對應 PIN5(GPIO 5)

WiFiBoy 接線圖

常見應用

滾動文字數字(跑馬燈)。
顯示簡單的圖案或是點陣動畫。
計數器。

MicroPython 常用的 max7219 驅動程式簡介

在 MicroPython 1.23 的版本中，沒有內建驅動 max7219 的模組。在 github 上就有一個經常被 maker 引用的專案可以使用。

MicroPython MAX7219 8x8 LED Matrix

我們要把專案裡面的 max7219.py 下載下來，上傳到玩學機的 Flash。我們會習慣把外部引入的函式庫放到 lib 目錄中。請在根目錄建立一個 lib 目錄，然後將 max7219.py 黨放進去。

未來我們引用裡面的函數就只要寫底下這行，就可以用裡面內建的方法了:

from lib.max7219 import Matrix8x8

看懂 max7219.py 內建的範例

驅動程式的教學說明其實很簡略，經過筆者實際測試後，發覺需要經歷過三個階段:

先搞定 MAX7219 與玩學機的接線(因為驅動程式說明文件並無介紹 WiFiBoy 的接線方法)
了解如何啟用 WiFiBoy 的 SPI 功能，讓驅動程式可以正常工作。
自行輸入教學範例程式，了解繪圖語法運作規則。
查閱 max7219.py 原始碼，了解函數提供的相關方法。

WiFiBoy 有兩組 SPI 介面，不過第一組已經被內建的 LCD 使用，所以我們啟動 SPI 傳輸介面時要使用 第二組。這點非常重要，當初在寫測試程式時，花了很多時間在查文件。

繪圖語法規則，可以參考本日文章的後半段範例教學的註解說明。

我們先列出原始碼中，內建的相關方法:

填入顏色 self.fill = fb.fill # (col)
在指定座標畫點 self.pixel = fb.pixel # (x, y[, c])
在指定座標畫水平線 self.hline = fb.hline # (x, y, w, col)
在指定座標畫垂直線 self.vline = fb.vline # (x, y, h, col)
在指定兩點座標畫直線 self.line = fb.line # (x1, y1, x2, y2, col)
在指定座標一長寬畫空心矩形 self.rect = fb.rect # (x, y, w, h, col)
在指定座標一長寬畫實心矩形 self.fill_rect = fb.fill_rect # (x, y, w, h, col)
在指定座標輸出字串 self.text = fb.text # (string, x, y, col=1)
卷軸 self.scroll = fb.scroll # (dx, dy)
輸出記憶體內容 self.blit = fb.blit # (fbuf, x, y[, key])
初始化 self.init()

範例說明

# MAX7219 8x8 LED display Github 專案教學範例講解
# https://github.com/mcauser/micropython-max7219
# 初始設定，以 WiFiBoy 為例
from machine import Pin, SPI
import lib.max7219
from utime import sleep
# 定義接腳
CLOCK_PIN = 18
DATA_PIN = 23
CS_PIN = 5
# 初始化 SPI
spi0 = SPI(2, baudrate=10000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(CLOCK_PIN), mosi=Pin(DATA_PIN))
# 初始化 CS 腳位
cs = Pin(CS_PIN, Pin.OUT)
# 初始化 MAX7219 LED 矩陣
# ===============================================================
# 範例開始 
# ===============================================================
# 我們使用四個串聯在一起的 MAX7210 模組，參數要設定為4
display = lib.max7219.Matrix8x8(spi0, cs, 4)  
# ===============================================================
# 01. 顯示 12345678 在 (0, 0) 座標
# ===============================================================
# 因為只有四個模組，所以只會顯示1234。在(0,0)座標畫，最後一個1是點亮 LED
# display.text('12345678',0,0,1)                
# ===============================================================
# 02. 關閉整個 LED ，即填入0 值
# ===============================================================
# display.fill(0)
# ===============================================================
# 03. 畫個 V 字
# ===============================================================
# display.pixel(0,0,1)
# display.pixel(1,1,1)
# display.pixel(2,2,1)
# display.pixel(3,1,1)
# display.pixel(4,0,1)
# ===============================================================
# 04. 畫水平與垂直線
# ===============================================================
# 因為我們使用四塊水平串聯，所以x軸有32點
# display.hline(0,4,32,1)                        
# display.vline(4,0,8,1)
# ===============================================================
# 05. 畫空心與實心矩形
# ===============================================================
# 在(17, 1) 這點畫一個邊長 6 點的空心正方形(座標從(0,0)開始)
# display.rect(17,1,6,6,1)
# 在(25, 1) 這點畫一個邊長 6 點的實心正方形
# display.fill_rect(25,1,6,6,1)                 
# ===============================================================
# 06. 顯示文字 Play
# ===============================================================
# display.fill(0)
# display.text('Play',0,0,1)
# ===============================================================
# 07. 文字捲動
# ===============================================================
# display.fill(0)
# display.text('12345678',0,0,1)
# display.scroll(-8,0)           # 2344
# display.show()                 # 輸出 buffer 內容即繪出畫面。

實作範例

製作一個能顯示英文數字的跑馬燈

# Max7219 範例_HelloWorld跑馬燈
from machine import Pin, SPI
import lib.max7219
from utime import sleep

CLOCK_PIN = 18
DATA_PIN = 23
CS_PIN = 5

spi0 = SPI(2, baudrate=10000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(CLOCK_PIN), mosi=Pin(DATA_PIN))
cs = Pin(CS_PIN, Pin.OUT)

matrix = lib.max7219.Matrix8x8(spi0, cs, 4)

# 顯示字串函數
def clear_display():
    # 清除顯示內容
    matrix.fill(0)
    matrix.show()

def show_text(text, delay=0.1):
    text_width = len(text) * 8
    clear_display()
    for offset in range(text_width + 32):  # 32 是為了讓文字全部移出螢幕
        clear_display()
        for i in range(len(text)):
            char = text[i]
            # 計算字在螢幕上的起始位置
            char_x = (i * 8) - offset
            if -8 < char_x < 128:  # 只顯示螢幕內的字串
                matrix.text(char, char_x, 0, 1)
        matrix.show()
        sleep(delay)

# 執行跑馬燈程式
try:
    while True:
        show_text("Hello, WiFiBoy!")
except KeyboardInterrupt:
    clear_display()