硬件SPI驱动TM1640

mmxx2015

TM1640 是一种LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 驱动等电路。本产品性能优良，质量可靠。主要应用于电子产品LED显示屏驱动。采用SOP28的封装形式。

本文仅以驱动TM1640为例，实际上，知道原理后，很容易扩展到其它类似芯片，如TM1668、TM1621等。

TM1640连续写时序如下图：



这个时序既不是I2C，也不是SPI，但是，一部分像I2C，有Start、Stop，一部分像SPI。
要实现这个控制时序，有2个要点：数据在时钟低电平时改变；时钟高电平时间至少维持1μS。控制这种芯片，一般做法是纯软件照时序图控制，但是，那样会消耗很多CPU时间。

对于有硬件SPI接口的芯片来说，只要简单变通一下，就可以用软硬结合的办法控制TM1640，大大减少CPU时间占用。

大部分芯片SPI时序图是这样，只需控制通讯速率就能满足TM1640控制时序。


不过，有的芯片SPI时序是这样，需要硬件上处理一下才能满足TM1640控制时序。


控制要点：
（1）确保数据在时钟低电平时改变数据，对于那些SPI接口在时钟高电平时改变数据的芯片，在时钟线加RC积分电路把时钟上升沿推后，确保数据在时钟低电平时改变。


部分RC参数测试结果如下：


（2）初始化时不使能SPI，只需用一般GPIO方式控制MOSI和SCLK输出高电平。
（3）开始发送数据时，用一般GPIO方式控制MOSI和SCLK输出高电平输出一个启动信号（MOSI输出电平一会后SCLK输出低电平）。
（4）SPI接口初始化配置为：先发送数据低位、CPOL=0、CPHA=1（空闲时时钟=低电平，数据在第二个边沿采样），使能SPI，使能SPI中断（数据量不多，DMA意义不大），发送Command1：设置数据。
（5）在SPI中断服务程序中禁用SPI，用一般GPIO方式控制MOSI和SCLK输出一个停止信号和一个启动信号，然后使能SPI，发送Command2：设置地址。
（6）中断方式继续发送数据直到显示数据发送完成。
（7）最后一个字节显示数据发送完成后的SPI中断禁用SPI，用一般GPIO方式控制MOSI和SCLK输出一个停止信号和一个启动信号，然后使能SPI，发送Command3：控制显示。
（8）发送Command3后的SPI中断禁用SPI，用一般GPIO方式控制MOSI和SCLK输出一个停止信号，一次显示数据输出完成。

上述处理信号时序如下：


实际信号如下：


扩展应用
对像TM1668那样多了STB通讯线的芯片，只需在输出STB信号的地方禁用SPI，输出STB信号，然后使能SPI继续通讯即可。


对需要一个前导位+8数据位的SPI通讯，只需禁用SPI，输出前导位，然后再使能SPI发送8位数据即可。


22楼更新代码：

mmxx2015

慕名而来 发表于 2023-5-7 21:04
楼主你好，关于本帖中的最后一个时序图片的实现，我曾经也想利用I/O模拟发送D/CX加硬件SPI的方式实现，但是 ...

如果要控制的设备也是SPI接口只是多一位数据的话，是不需要加RC延时的，只需程序上加一位数据即可。我手上没有需要9位格式的通讯的芯片，有空我写一段你试下能不能用。

mmxx2015

inthsunshine 发表于 2023-5-7 23:27
其实还是io模拟更好，类似i2c, 这种读写数据量很小，也只有键盘扫描或者显示更新才会运行，基本不消耗什么 ...

本文只是一种方法来讲，当SPI接口紧缺而且有更重要的用途，当然要取舍，如果空闲，为什么不用呢？

mmxx2015

595953427@qq 发表于 2023-5-8 00:15
反复看了这个帖子，一直不明白用硬件SPI驱动TM1640的意义是什么，TM1640的数据量不大，对速度要求不高，任 ...

我个人的习惯是，能用硬件接口通讯就不用软件模拟，就这个TM1640来说，刚开始不加RC电路之前无法点亮，已用软件模拟方式点亮了，但这不是我想要的，于是，想出了这种方法。

mmxx2015

inthsunshine 发表于 2023-5-8 09:38
不过从你的操作过程看，远比io模拟更复杂， 一会开中断一会关中断；IO模式一会复用，一会通用，硬件上还 ...

不用关中断啊，只需在中断中禁用SPI，发完stop、start再使能SPI。
RC的值是可以大概计算的。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2023-5-8 11:11
多谢，期待看到你的代码，其实我的这个三线spi屏也已经驱动成功很久了，现在使用中的是通过可寻址位变量 ...

显示驱动芯片如果是ILI9481，时序要求如下：

时钟电平、高电平最窄分别为40nS，最多时钟周期=100nS。
以STC8H8K64U来说，主频=22.1184MHz时，你这段程序输出信号大致如下图：

时钟低电平宽度不够40nS，需插入延时。
查看反汇编指令，时钟低电平只维持一个系统时钟，对照指令表，以主频=22.1184MHz计算，时间=(1/22.1184MHz)≈45nS，比较临界。

插入延时后的程序（需包含intrins.h）：

1. #define        SCL_LOW_DELAY()                NOP1()
   
2. #define        SCL_HIGH_DELAY()        //NOP2()
   
3. 
   
4. void write_data(unsigned char dat)
   
5. {
   
6.         bitdata=dat;
   
7.         
   
8.         sda=1;
   
9.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();        //D/C=1写数据
   
10.         sda=bit7;
    
11.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
12.         sda=bit6;
    
13.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
14.         sda=bit5;
    
15.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
16.         sda=bit4;
    
17.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
18.         sda=bit3;
    
19.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
20.         sda=bit2;
    
21.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
22.         sda=bit1;
    
23.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
24.         sda=bit0;
    
25.         scl=0;SCL_LOW_DELAY();scl=1;SCL_HIGH_DELAY();
    
26. }

复制代码

插入延时后的信号


由于带宽的原因，我这个逻辑分析仪无法采集主频=48MHz时的I/O翻转信号，测试主频=40MHz时，I/O翻转速度可以测到但可能不是很准。


主频=48MHz时，指令周期=(1/48MHz)=20.8nS，时钟低电平之后需插入约2个NOP。

1. #define        SCL_LOW_DELAY()                NOP2()
   
2. #define        SCL_HIGH_DELAY()        //NOP2()

复制代码

插入2个NOP后的信号，这样的信号应该能正常通讯了，如果不行，改为3~4个NOP。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2023-5-9 09:20
我玩的正是这个9481的TFT屏，第一次学到时序模拟如此清晰明了，其实我也有一个简易的逻辑分析仪，带宽只 ...

测量开关信号，至少需要10倍待测信号频率的带宽，采样频率也要尽量高，不然，要么采不到或者信号宽度误差大。
协议分析是厂家配的软件提供的功能，当然了，也可以自己解析。

mmxx2015

o535913 发表于 2023-5-9 10:21
你们不停的用同一句话回复楼主有意思吗, 别人说的话再复制重复一遍为了M币?

我比较好奇的是为什么不直接做 ...

据说做成I2C接口需要交版权费，I2C接口的版权在NXP手里，不知道SPI是不是要交钱。这种显示芯片通讯协议确实不伦不类。

mmxx2015

慕名而来 发表于 2023-5-8 11:11
多谢，期待看到你的代码，其实我的这个三线spi屏也已经驱动成功很久了，现在使用中的是通过可寻址位变量 ...

基于STC8H8K64U的ILI9481 9bit SPI驱动测试程序，试试看能不能用。


随便发送一些数据、随便指定D/CX信号的时序：




查看开头几个字节的信号，应该是符合ILI9481 9bit SPI时序。


这是完整工程，如果移植到其它程序，只需把spi.c、spi.h复制到目标工程中，按需配置引脚即可。

程序把命令和数据混合的表格逐个发送，使用的是一般指针，表格可以是常数表格，也可以是一段RAM。如果不习惯使用指针，可以按数组方式使用：去掉函数

1. void SPI_Send_Bytes(INT8U *Source_Pointer,INT16U Send_Bytes)

复制代码

的指针，变成

1. void SPI_Send_Bytes(INT16U Send_Bytes)

复制代码

调用是只需传递发送字节数即可。
SPI_Send_Bytes()和SPI中断中的装载数据变成：

1. SPDAT=Display_Test_Table[s_spi_send_count];        //发送一个字节

复制代码

mmxx2015

tomyluo 发表于 2023-5-23 08:42
有没有办法可以不用RC延迟，用其他的芯片实现延迟？RC延迟波形会变差

如果SPI硬件设计成时钟下降沿一会再改变MOSI、时钟高电平保持MOSI状态就可以，但SPI时序上只要求采样沿MOSI输出目标数据，不一定能满足。

mmxx2015

sunnyquan 发表于 2023-5-23 10:54
试试这个芯片IS31FL3743B

其实，用TM1640只是因为之前别人说用这种芯片驱动数码管对收音机模块有干扰，我告诉别人通讯线加RC、SEG串电阻可改善，想实际验证一下是不是真可以改善。