การใช้งานไอซี MAX7219 กำหนดสถานะลอจิกให้ LEDs#

▷ MAX7219#

ไอซี MAX7219 (Datasheet) ของบริษัท Maxim Integrated / Analog Devices มักนิยมนำมาใช้สำหรับควบคุมการแสดงผลด้วย LED แบบหลายดวง โดยแบ่งการทำงานเป็น 2 ลักษณะ ตามรูปแบบการใช้งาน ได้แก่

การใช้งานกับโมดูล 7-Segment Display: สามารถควบคุมได้ทั้งหมด 8 ชุด (8 หลักของตัวเลข หรือ Digits)
การใช้งานกับโมดูล 8x8 LED Matrix Display: ใช้งานกับ 8x8 LEDs ต่อไอซีหนึ่งตัว

ตามเอกสารของผู้ผลิต ไอซี MAX7219 ใช้แรงดันไฟเลี้ยง (VCC) อยู่ในช่วง +4.0V ถึง +5.5V หรือ +5V (typ.) แต่ก็สามารถนำมาใช้กับ +3.3V ได้เช่นกัน

รูป: แผนผังแสดงตำแหน่งขาและคำอธิบาย (อ้างอิงจากเอกสารของผู้ผลิต)

รูป: บล็อกไดอะแกรมแสดงองค์ประกอบภายในของไอซี MAX7219

รูป: ตัวอย่างการใช้งานไอซี MAX7219 สำหรับ 8x8 Dot LED Matrix

รูป: ตัวอย่างการใช้งานไอซี MAX7219 สำหรับ 7-Segment Display (Common-Cathode) แบบ 8 หลัก

รูป: ตัวอย่างโมดูล 8-Digit 7-Segment Display (Common-Cathode) ที่ใช้ไอซี MAX7219 ควบคุมการทำงาน

รูป: ตัวอย่างโมดูล 32x8 MAX7219 Dot Matrix Display

ไอซีมีขา ISET เอาไว้ต่อเข้ากับตัวต้านทานภายนอกไปยัง VCC เพื่อกำหนดปริมาณกระแสสูงสุด (Peak Segment Current) สำหรับจ่ายให้ LED Segments

ไอซีมีขา I/O ที่ใช้ควบคุมการทำงานของ LEDs จำนวน 16 ขา (แพ็คเกจของไอซีมี 24 ขา) แบ่งเป็น 2 กลุ่มคือ

8x DIGITS (DIG0 .. DIG7) หรือ Digit Driver Pins: ขาควบคุม จะมีเพียงหนึ่งขาในแต่ละช่วงเวลาที่แอคทีฟ (Active)
8x SEGMENTS (SEG_A .. SEG_G, SEG_DP) หรือ Segment Driver Pins): ขาข้อมูลบิต จำนวน 8 บิต เช่น นำไปใช้กับ 8x LEDs สำหรับ 7-Segment + DP (Decimal Point) หรือ 8x LEDs ในหนึ่งแถวของ LED Matrix

การส่งข้อมูลไปยังไอซี MAX7219 เช่น จากไมโครคอนโทรลเลอร์ จะใช้สัญญาณเพียง 3 สัญญาณ ได้แก่

CLK (ความถี่สูงสุด 10MHz) สำหรับสัญญาณ Clock
DIN (Serial-Data Input) สำหรับสัญญาณข้อมูลที่ถูกเลื่อนไปทีละบิต เพื่อเก็บในรีจิสเตอร์ภายใน
LOAD หรือ CS (Load-Data Input) สำหรับสัญญาณควบคุม เมื่อเกิดขอบขาขึ้นที่สัญญาณ LOAD ข้อมูลในรีจิสเตอร์เลื่อนบิตในขณะนั้น จะถูกนำไปใช้

การส่งคำสั่งและข้อมูลนั้น จะทำโดยใช้วิธีเลื่อนบิตเข้าไปทีละบิต (Bit Shifting) แบบ MSB First เข้าไปที่ขา DIN ไปยังรีจิสเตอร์สำหรับการเลื่อนบิตและรับข้อมูล (Shift Register) ขนาด 16 บิต และส่งออกได้ที่ขา DOUT (Serial-Data Output) ตามจังหวะสัญญาณ CLK ดังนั้นข้อมูลมีขนาด 2 ไบต์ หรือ 16 บิต (D15 .. D0) สำหรับไอซี MAX7219 หนึ่งตัว

ถ้าต้องการควบคุมได้มากกว่าหนึ่งชุด โดยใช้ไอซี MAX7219 มากกว่าหนึ่งตัว นำมาต่อกันแบบ Daisy-Chain โดยให้ขา DOUT เชื่อมต่อกับขา DIN ของไอซีที่อยู่ในลำดับถัดไป

ตัวอย่างการใช้งานในลักษณะนี้และพบเห็นได้บ่อย เช่น การทำป้ายไฟแสดงผล LED Matrix ที่มีความสูง 8 พิกเซล แต่มีความยาวมากกว่า 8 พิกเซล ถ้าต้องการขนาด 8x32 ก็ต้องใช้อุปกรณ์ทั้งหมด 4 ชุด นำมาต่อกันตามลำดับ เป็นต้น

การเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ เพื่อเลื่อนบิตข้อมูลไปยัง MAX7219 ทำได้ 2 วิธีคือ

การใช้ขา GPIO และสร้างสัญญาณ เพื่อใช้สำหรับ CLK แล้วเลื่อนข้อมูลทีละบิต ออกไปสำหรับขา DIN
การใช้วงจร Hardware SPI ภายในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งจะทำได้เร็วและใช้ความถี่ของ Clock ได้สูงกว่าวิธีแรก

บิตที่ D11 .. D8 ของข้อมูล 16 บิต (ในรีจิสเตอร์สำหรับการเลื่อนบิตและรับข้อมูล) เป็นตัวระบุคำสั่ง (Operation) ขนาด 4 บิต และแอดเดรสของรีจิสเตอร์เป้าหมาย (Register Address) ขนาด 4 บิต เช่น

บิต D15 .. D12: ไม่มีการใช้งาน (Don't care)
บิต D11 .. D8: ใช้สำหรับการกำหนดแอดเดรสของรีจิสเตอร์
บิต D7 .. D0: ข้อมูลขนาด 8 บิต เพื่อเขียนลงในรีจิสเตอร์

รูป: ตารางเกี่ยวกับรีจิสเตอร์ภายใน

รีจิสเตอร์แต่ละตัวมีหน้าที่แตกต่างกัน เช่น

รีจิสเตอร์ No-Op: การไม่ทำคำสั่งใด ๆ (No-Op = No Operation)
รีจิสเตอร์ Digit 0 .. Digit 7: สำหรับการกำหนดค่าขนาดหนึ่งไบต์ตามแอดเดรสที่ระบุ เก็บข้อมูลลงในหน่วยความจำ 8x8 SRAM จำนวน 8 บิต ต่อหนึ่งแอดเดรส และนำไปใช้ในการกำหนดสถานะติดหรือดับของ LEDs
รีจิสเตอร์ Decode Mode: การใช้งาน Code B Decode Mode ในโหมดนี้ถ้ามีการเปิดใช้งาน ข้อมูล 4 บิต จะถูกใช้เป็น BCD Code (มี 16 กรณี หรือ ตัวอักขระ คือ 0 - 9, E, H, L, P, - และว่างเปล่า ) และมีการแปลงโดยอัตโนมัติให้เป็นข้อมูล 8 บิต เพื่อนำไปใช้กับ 7-Segment Digit
รีจิสเตอร์ Intensity: การกำหนดระดับความสว่าง ซึ่งมีให้เลือกตั้งค่าได้ทั้งหมด 16 ระดับ
รีจิสเตอร์ Scan Limit: การตั้งค่าจำนวนหลักสูงสุดที่มี ถ้าใช้ไม่ครบ 8 หลัก ในกรณีที่ใช้กับ 7-Segment Display
รีจิสเตอร์ Shutdown: การเปิดหรือปิด LEDs คือ เลือกระหว่างโหมด Normal Mode กับ Shutdown Mode
รีจิสเตอร์ Display Test: การเปิดหรือปิดโหมดการทดสอบ คือ การเลือกระหว่าง Normal Mode กับ Display Test ถ้าเป็นโหมดทดสอบ จะทำให้ LEDs ทุกดวงอยู่ในสถานะ ON

รูป: ตารางเกี่ยวกับรีจิสเตอร์ Intensity และ Scan Limit

การทำงานเพื่อควบคุม LEDs จำนวน 8 ชุด จะใช้วิธีที่เรียกว่า Time Multiplexing โดยจะเรียงไปตามลำดับของสัญญาณควบคุม SEG_A .. SEG_G, SEG_DP (แล้ววนซ้ำใหม่โดยอัตโนมัติด้วยอัตรา 800Hz) และในขณะเดียวกัน ก็จะมีการอ่านค่าจากรีจิสเตอร์ขนาด 8 บิต แล้วส่งออกทีขา DIG0 .. DIG7 พร้อมกัน แต่ละขาจ่ายกระแสได้สูงสุดประมาณ 40mA (Segment Drive Source Current)

▷ ไลบรารีสำหรับ MAX7219 เพื่อใช้ในการเขียนโค้ดด้วย Arduino#

เนื่องจากไอซีและโมดูล MAX7219 มีการใช้งานมาหลายปี จึงมีการจัดทำเป็นไลบารี ที่เป็น Open Source เพื่อนำไปใช้ในการเขียนโค้ด Arduino Sketch และจะเห็นได้ว่า มีไลบรารีให้เลือกใช้งาน อยู่จำนวนไม่น้อย (บางตัวเลือก ก็ไม่ได้มีการอัปเดตแล้วหลายปี) เช่น

▷ การเขียนโค้ดและจำลองการทำงานด้วย Arduino Wokwi Simulator: 8x8 LED Matrix Display#

ตัวอย่างถัดไปเป็นการเขียนโค้ดด้วย Arduino Sketch เพื่อสาธิตการใช้งานโมดูล 8x8 LED Matrix Display โดยเลือกใช้วงจร SPI Master ของชิปไมโครคอนโทรลเลอร์บนบอร์ด Arduino Uno/Nano ทำหน้าที่เลื่อนข้อมูลไปยังไอซี MAX7219 เมื่อโปรแกรมทำงาน จะแสดงผลเป็นรูปสัญลักษณ์หัวใจ (Heart Symbol) ขนาด 8x8 พิกเซล ซึ่งมีสองขนาด (ใหญ่และเล็ก) และกระพริบได้

การใช้งานขา GPIO ของบอร์ด Arduino Uno/Nano มี 3 ขา มีดังนี้

ขา Arduino D13 (SPI SCK) จะใช้สำหรับสัญญาณ CLK
ขา Arduino D11 (SPI MOSI) จะใช้สำหรับสัญญาณ DIN
ขา Arduino D10 จะใช้สำหรับสัญญาณ LOAD หรือ CS

#include <SPI.h>

// SPI Pins for Arduino Uno/Nano
//const int CLK_PIN = 13; // SPI SCK
//const int DIN_PIN = 11; // SPI MOSI
const int CS_PIN = 10;    // SPI #CS 

#define REG_DIGIT(x)      (0x1+(x))
#define REG_DECODE_MODE   (0x9)
#define REG_INTENSITY     (0xA)
#define REG_SCAN_LIMIT    (0xB)
#define REG_SHUTDOWN      (0xC)
#define REG_DISPLAY_TEST  (0xF)

const uint8_t BIG_HEART_SYM[] = { // Big heart symbol
  0b00000000,
  0b01100110,
  0b11111111,
  0b11111111,
  0b01111110,
  0b00111100,
  0b00011000,
  0b00000000
};

const uint8_t SMALL_HEART_SYM[] = { // Small heart symbol
  0b00000000,
  0b00000000,
  0b00100100,
  0b01111110,
  0b00111100,
  0b00011000,
  0b00000000,
  0b00000000
};

void MAX7219_WriteReg( uint8_t addr, uint8_t data ) {
  digitalWrite( CS_PIN, LOW );
  SPI.beginTransaction(SPISettings(4000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  SPI.transfer( addr );
  SPI.transfer( data );
  SPI.endTransaction();
  digitalWrite( CS_PIN, HIGH );
}

void MAX7219_Init( uint8_t init_value = 0x00 ) {
  MAX7219_WriteReg( REG_DECODE_MODE,  0x00 ); // No decode
  MAX7219_WriteReg( REG_INTENSITY,    0x07 ); // Set intensity: 0x07=15/32
  MAX7219_WriteReg( REG_SCAN_LIMIT,   0x07 ); // Scan limit: display digits 0-7
  MAX7219_WriteReg( REG_SHUTDOWN,     0x01 ); // Shutdown: normal operation
  MAX7219_WriteReg( REG_DISPLAY_TEST, 0x00 ); // Display test: no display test
  for ( uint8_t i=0; i < 8; i++ ) {
    MAX7219_WriteReg( REG_DIGIT(i), init_value ); // Clear display
  }
  MAX7219_WriteReg( REG_SHUTDOWN, 0x01 ); // Normal operation
}

void setup() {
  SPI.begin(); // Use the default SPI pin settings.
  pinMode( CS_PIN, OUTPUT );
  digitalWrite( CS_PIN, HIGH );
  MAX7219_Init(); // Initialize the MAX7219 display.
}

void update( uint8_t *data = NULL ) {
  uint8_t value;
  for ( int i=0; i < 8; i++) {
    value = (data != NULL) ? data[i] : 0x00;
    MAX7219_WriteReg( REG_DIGIT(i), value ); 
  }
}

#define DELAY_MS (200)

void loop() {
  static uint32_t ts_saved = 0;
  uint32_t ts_now = millis();  
  static uint8_t index = 0;
  if ( ts_now - ts_saved >= DELAY_MS ) {
    ts_saved = ts_now;
    if (index == 0 ) {
      update( BIG_HEART_SYM );
    } else if (index == 1 ) {
      update( SMALL_HEART_SYM );
    } else {
      update( );
    }
    index = (index+1) % 4;
  }
}

รูป: การเขียนโค้ด Arduino Sketch และจำลองการทำงานด้วย Arduino Wokwi Simulator โดยใช้บอร์ด Arduino Nano และโมดูล MAX7219 8x8 LED Dot Matrix (FC-16 Model) แบบเสมือนจริง

Arduino WokWi Simulator มีโมดูล wokwi-max7219-matrix ให้เลือกใช้งาน และสามารถตั้งค่าได้ว่า จะใช้สีอะไร และมีจำนวนโมดูลมากกว่าหนึ่งอันที่นำมาต่อกันได้

รูป: การตั้งค่าโมดูล MAX7219 Display ในไฟล์ diagram.json สำหรับ Wokwi Simulator

ถ้าจะลองใช้กับ ESP32-C3 ก็มีตัวอย่างโค้ดดังนี้ (เลือกใช้ขา GPIO สำหรับ SPI ซึ่งแตกต่างจากกรณีที่ใช้บอร์ด Arduino Uno/Nano)

#include <SPI.h>

// SPI Pins for ESP32-C3
const int SCK_PIN  = 4;  // SPI SCK
const int MOSI_PIN = 6;  // SPI MOSI
const int MISO_PIN = 5;  // SPI MISO
const int CS_PIN   = 7;  // SPI #CS 

#define REG_DIGIT(x)      (0x1+(x))
#define REG_DECODE_MODE   (0x9)
#define REG_INTENSITY     (0xA)
#define REG_SCAN_LIMIT    (0xB)
#define REG_SHUTDOWN      (0xC)
#define REG_DISPLAY_TEST  (0xF)

const uint8_t BIG_HEART_SYM[] = {
  0b00000000,
  0b01100110,
  0b11111111,
  0b11111111,
  0b01111110,
  0b00111100,
  0b00011000,
  0b00000000
};

const uint8_t SMALL_HEART_SYM[] = {
  0b00000000,
  0b00000000,
  0b00100100,
  0b01111110,
  0b00111100,
  0b00011000,
  0b00000000,
  0b00000000
};

void MAX7219_WriteReg( uint8_t addr, uint8_t data ) {
  digitalWrite( CS_PIN, LOW );
  SPI.beginTransaction(SPISettings(4000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  SPI.transfer( addr );
  SPI.transfer( data );
  SPI.endTransaction();
  digitalWrite( CS_PIN, HIGH );
}

void MAX7219_Init( uint8_t init_value = 0x00 ) {
  MAX7219_WriteReg( REG_DECODE_MODE,  0x00 ); // No decode
  MAX7219_WriteReg( REG_INTENSITY,    0x07 ); // Set intensity: 0x07=15/32
  MAX7219_WriteReg( REG_SCAN_LIMIT,   0x07 ); // Scan limit: display digits 0-7
  MAX7219_WriteReg( REG_SHUTDOWN,     0x01 ); // Shutdown: normal operation
  MAX7219_WriteReg( REG_DISPLAY_TEST, 0x00 ); // Display test: no display test
  for ( uint8_t i=0; i < 8; i++ ) {
    MAX7219_WriteReg( REG_DIGIT(i), init_value ); // Clear display
  }
  MAX7219_WriteReg( REG_SHUTDOWN, 0x01 ); // Normal operation
}

void setup() {
  SPI.begin( SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN, CS_PIN ); // ESP32-C3
  pinMode( CS_PIN, OUTPUT );
  digitalWrite( CS_PIN, HIGH );
  MAX7219_Init(); // Initialize the MAX7219 display.
}

void update( uint8_t *data = NULL ) {
  uint8_t value;
  for ( int i=0; i < 8; i++) {
    value = (data != NULL) ? data[i] : 0x00;
    MAX7219_WriteReg( REG_DIGIT(i), value ); 
  }
}

#define DELAY_MS (200)

void loop() {
  static uint32_t ts_saved = 0;
  uint32_t ts_now = millis();  
  static uint8_t index = 0;
  if ( ts_now - ts_saved >= DELAY_MS ) {
    ts_saved = ts_now;
    if (index == 0 ) {
      update( (uint8_t*) BIG_HEART_SYM );
    } else if (index == 1 ) {
      update( (uint8_t*) SMALL_HEART_SYM );
    } else {
      update( );
    }
    index = (index+1) % 4;
  }
}

รูป: การจำลองการทำงานของ MAX7219 ร่วมกับบอร์ด ESP32-C3

▷ ตัวอย่างการใช้งาน 4-Segment 8x8 LED Matrix Display#

ตัวอย่างนี้สาธิตการเขียนโค้ดสำหรับ Arduino ESP32 เพื่อกำหนดค่าพิกเซลให้โมดูลแสดงผลแบบ MAX7219 8x8 Display ที่นำมาต่อกัน 4 โมดูล (NUM_DEVICES เท่ากับ 4) โดยจะเขียนข้อมูลลงในบัฟเฟอร์สำหรับข้อมูลพิกเซล (เก็บในอาร์เรย์ pixels[]) แล้วจึงนำไปใช้เพื่ออัปเดตข้อมูลในหน่วยความจำของโมดูล MAX7219 โดยการเลื่อนข้อมูลบิตด้วยบัส SPI

เมื่อโปรแกรมเริ่มทำงาน พิกเซลมุมซ้ายบนจะเปลี่ยนเป็นสถานะ ON และเพิ่มขึ้นในตำแหน่งถัดไปจากซ้ายไปขวา เมื่อครบหนึ่งแถวแล้วจึงขึ้นแถวใหม่ไปตามลำดับ และเมื่อพิกเซลในทุกตำแหน่งเป็น ON แล้ว จึงทำขั้นตอนซ้ำโดยเปลี่ยนเป็น OFF ไปตามลำดับ

#include <SPI.h>

#define USE_FC16

// SPI Pins for ESP32
const int SCK_PIN  = 18;  // SPI SCK
const int MOSI_PIN = 23;  // SPI MOSI
const int MISO_PIN = 19;  // SPI MISO
const int CS_PIN   = 5;   // SPI #CS 

#define NUM_DEVICES    (4)
#define PIXELS_PER_ROW (8*NUM_DEVICES)

uint8_t pixels[8*NUM_DEVICES] = {0}; // frame buffer

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
  SPI.begin(SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN, CS_PIN);
  max7219_init(); // Initialize the display
}

void loop() {
  static uint8_t value = 1;
  static uint16_t i=0;
  max7219_set_pixel( i/PIXELS_PER_ROW, i%PIXELS_PER_ROW, value );
  max7219_update( pixels );
  i++;
  if (i>= (8*PIXELS_PER_ROW)) {
    i=0;
    value ^= 1;
  }
  delay(20);
}

void max7219_write( int reg_index, uint8_t value ) {
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  for (int i=0; i < NUM_DEVICES; i++) {
    SPI.transfer(reg_index);
    SPI.transfer(value);
  }
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
}

void max7219_update( uint8_t *data ) {
  for ( int j=0; j < 8; j++ ) {
    digitalWrite(CS_PIN, LOW);
    for (int i=0; i < NUM_DEVICES; i++) {
      SPI.transfer(1+j);
      SPI.transfer(data[j*NUM_DEVICES+i]);
    }
    digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
  }
}

void max7219_init() {
  max7219_write(0xf, 0); // Disable test mode
  max7219_write(0xb, 7); // Set scanlines to 8
  max7219_write(0xa, 7); // Set intensity to 7
  max7219_write(0xc, 1); // Enable display
}

void max7219_set_pixel( int r, int c, uint8_t b ) {
  uint8_t *p = &pixels[(c/8) + r*NUM_DEVICES];

#ifdef USE_FC16
  if (b) {
    *p |= 1<<(7-c%8);
  } else {
   *p &= ~(1<<(7-c%8));
  }
#else
  if (b) {
    *p |= 1<<(c%8);
  } else {
   *p &= ~(1<<(c%8));
  }
#endif
}

รูป: การจำลองการทำงานของ MAX7219 ร่วมกับบอร์ด ESP32

ตัวอย่างไฟล์ diagram.json สำหรับ Wokwi Simulator

{
  "version": 1,
  "author": "Anonymous maker",
  "editor": "wokwi",
  "parts": [
    { "type": "wokwi-esp32-devkit-v1", 
      "id": "esp", "top": 80, "left": 0, "attrs": {} },
    {
      "type": "wokwi-max7219-matrix",
      "id": "matrix1",
      "top": -20,
      "left": -155,
      "attrs": { "chain": "4", "layout": "fc16" }
    }
  ],
  "connections": [
    [ "esp:TX0",   "$serialMonitor:RX", "", [] ],
    [ "esp:RX0",   "$serialMonitor:TX", "", [] ],
    [ "esp:D23",   "matrix1:DIN", "green", [ "h110", "v-95" ] ],
    [ "esp:D5",    "matrix1:CS",  "green", [ "h120", "v0" ] ],
    [ "esp:D18",   "matrix1:CLK", "green", [ "h100", "v-135" ] ],
    [ "esp:GND.1", "matrix1:GND", "black", [ "h135", "v-20" ] ],
    [ "esp:3V3",   "matrix1:V+",  "red",   [ "v0", "h145", "v-250" ] ]
  ],
  "dependencies": {}
}

รูป: ตัวอย่างการทดลองกับอุปกรณ์จริง

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้กล่าวถึง หลักการทำงานของไอซี MAX7219 ซึ่งมักพบว่า มีการนำมาใช้ควบคุมการแสดงผลของ 7-Segment Display หรือ 8x8 LED Dot Matrix และมีตัวอย่างการเขียนโค้ดด้วย Arduino เพื่อสาธิตการทำงานในเบื้องต้น

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-09-30 | Last Updated: 2023-11-05

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search