MAX7219 を使用したドットマトリックス LED モジュールを STM32 マイコンで制御してみます。
用意したのは 8x8 のドットマトリックス LED が 4 つ連なったタイプで，8x8 のマトリックスごとに制御用の IC である MAX7219 が載っています。 amazon で 1000 円ちょっとで購入できます。商品説明には Arduino 用とありますが，汎用的なインタフェースなので Arduino 以外のマイコン等でも制御できます。
マイコンボードは STM32F446RE を搭載した NUCLEO-F446RE を使用しました。
ドットマトリックス LED モジュールへの配線は電源が VCC と GND，信号線が DIN，CS，CLK の合計 5 本だけです。3 本の信号線（DIN，CS，CLK）はすべて LED モジュールへの入力となっています。
電源は 5 V を供給します。消費電流がどの程度か不明ですが，とりあえず USB バスパワーで駆動してみました。
信号レベルも 5 V 系が要求されますが，STM32 は 3.3 V 系なので，間にレベルシフタを入れました。
信号線（DIN，CS，CLK）のマイコン側は通常の GPIO（出力に設定）にしています。なお，LED モジュールの DIN に対応するマイコン側の信号名は DOUT としました。
制御用の IC である MAX7219 にコマンドを送ることによって，ドットマトリックス LED の表示を制御します。開発環境は STM32CubeIDE Version: 1.4.2 を使っています。
MAX7219 のインタフェースは基本的にはクロック同期式のシリアル通信です。MAX7219 は CLK 信号の立ち上がりエッジで DIN を読んで内部の 16 bit シフトレジスタに蓄えていきます。そして，CS 信号の立ち上がりエッジで最後に取り込んだ 16 bit をラッチし，コマンドとして実行します。
今回はマイコンの GPIO を使って，3 本の信号線（DOUT→DIN，CS，CLK）の High，Low を制御しましたが，MXX7219 のデータシートによると，CLK 信号の High，Low のパルス幅はそれぞれ 50 ns 以上という規定があります。 この時間を作り出すために以下のような Wait（時間待ち）関数を定義しました。CPU は 180 MHz で動いているので，NOP 命令 9 個でちょうど 50 ns になります。
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// 時間待ち（1 / 180 MHz * 9 = 50 ns）
inline void Wait()
{
asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP");
asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP");
asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP"); asm volatile("NOP");
}
DOUT，CS，CLK の信号線を制御して MAX7219 にコマンドを送る関数は以下のようになりました。MAX7219 x 4 つぶんに対応して，4 x 16 bit のデータを順次送ったあと，CS を High にしています。
データの構造としては，16 bit のうち上位 8 bit がコマンドを示しており，下位 8 bit はコマンドに応じたデータになっています。
// コマンド送信サブ（MAX7219 x 1 つぶんのデータを送る）
void Led_SendCommandSub(uint16_t data)
{
for (uint16_t mask = 0x8000 ; mask ; mask >>= 1)
{
HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
Wait();
HAL_GPIO_WritePin(DOUT_GPIO_Port, DOUT_Pin, (data & mask) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
Wait();
HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_SET);
Wait();
}
}
// コマンド送信（MAX7219 x 4 つぶんのデータを送る + CS の制御）
void Led_SendCommand(const uint16_t *data)
{
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
Wait();
for (int i=0 ; i < 4 ; i++)
{
Led_SendCommandSub(data[i]);
}
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
Wait();
HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
Wait();
}
上で定義したコマンド送信関数を使って，LED モジュールの初期化関数を以下のように定義しました。
データシートの記載によると，Scan Limit の設定と Normal Operation モードへの遷移だけで良さそうですが，どうも起動時に Test Mode 等に入ってしまう（LED が全点灯する）ことがあるようなので，明示的にすべての設定を行っています。
// LED モジュールの初期化
void Led_Init()
{
const uint16_t data1[] = { 0x0f00, 0x0f00, 0x0f00, 0x0f00 }; // Test Mode = off
const uint16_t data2[] = { 0x0900, 0x0900, 0x0900, 0x0900 }; // Decode Mode = off
const uint16_t data3[] = { 0x0a00, 0x0a00, 0x0a00, 0x0a00 }; // Intencity = 1/32 (minimum)
const uint16_t data4[] = { 0x0b07, 0x0b07, 0x0b07, 0x0b07 }; // Scan Limit = 8
const uint16_t data5[] = { 0x0c01, 0x0c01, 0x0c01, 0x0c01 }; // Normal Operation Mode
Led_SendCommand(data1);
Led_SendCommand(data2);
Led_SendCommand(data3);
Led_SendCommand(data4);
Led_SendCommand(data5);
}
以下のようなプログラムで市松模様を表示することが出来ます。main 関数から App_Run 関数を呼び出します。これを実行した結果が，はじめの写真です。
extern "C" int App_Run(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(CLK_GPIO_Port, CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(100);
Led_Init();
// コマンドの準備（上位 8 bit で行を指定し，下位 8 bit で各列の On/Off を指定する）
const uint16_t data1[] = { 0x010f, 0x010f, 0x010f, 0x010f }; // 1 行目のコマンド □□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■
const uint16_t data2[] = { 0x020f, 0x020f, 0x020f, 0x020f }; // 2 行目のコマンド □□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■
const uint16_t data3[] = { 0x030f, 0x030f, 0x030f, 0x030f }; // 3 行目のコマンド □□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■
const uint16_t data4[] = { 0x040f, 0x040f, 0x040f, 0x040f }; // 4 行目のコマンド □□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■
const uint16_t data5[] = { 0x05f0, 0x05f0, 0x05f0, 0x05f0 }; // 5 行目のコマンド ■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□
const uint16_t data6[] = { 0x06f0, 0x06f0, 0x06f0, 0x06f0 }; // 6 行目のコマンド ■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□
const uint16_t data7[] = { 0x07f0, 0x07f0, 0x07f0, 0x07f0 }; // 7 行目のコマンド ■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□
const uint16_t data8[] = { 0x08f0, 0x08f0, 0x08f0, 0x08f0 }; // 8 行目のコマンド ■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□■■■■□□□□
// コマンド送信
Led_SendCommand(data1);
Led_SendCommand(data2);
Led_SendCommand(data3);
Led_SendCommand(data4);
Led_SendCommand(data5);
Led_SendCommand(data6);
Led_SendCommand(data7);
Led_SendCommand(data8);
while (1)
{
}
}