SPIで7セグLED4桁をダイナミックドライブする回路
概要
概略設計
回路図(試作版)
回路は次のとおりである。
LEDの電流制限抵抗は220Ωでは若干M54405Pの最大定格を上回るので値を増やす。
2桁を同時に点灯させるとM54405Pの出力電流を上回るので、デバック時や電源投入時で74HC595を初期化していない場合は、注意が必要である。いずれにしてもドライブ電流の少ないLEDを用いればこのようなことを考える必要がなくなり簡単になるが、手持ちの部品で作ると制約が多い。
桁ドライブで触れたように74HC139経由でドライブすればソフトウェアにミスがあっても複数桁が同時にドライブされることは物理的に防げる。
ただしプルアップ抵抗が増えるので煩雑である。トランジスタアレイでソース出力(はきだし型)のものであれば、入力側のトランジスタのベース・エミッタにoff時放電用の抵抗が接続されているのでプルアップ抵抗は不要である。ただし電流を出力する条件がICの種類により入力がHiかLowの違いがあるので確認しなければならない。
やはり安全を考慮すると74HC139で桁信号2bitを4bitにデコードしてから桁ドライブするのが確実である。この場合74HC595が初期設定されていない場合、いずれかの桁が表示されてしまう。
さらに1bitを追加し74HC139をディセーブルするかM54405Pのブランキングを制御し完全消灯状態を作る。
74HC595の出力が8bitに対して、BCDで4bit 桁2bitであり 2bit余っているため、 ドット信号で1bit(74HC595 QG)使用しても1bit使用可能である。
といろいろ考えたが、M54405Pのブランキング端子をSPIのSS端子につなぎプルダウンしておくのが一番簡単そうである。SPI端子を使わなければプルダウンによりブランキングがLowになり表示されない。 SPIでデータを送るとSPIでデータを設定している以外はSS端子はHiなので表示が可能となる。
実際の動作の検証
動作電圧・電流
1桁をスタティックドライブで8を表示した場合の実測電圧はVCEが0.176V VBEが0.867V 1セグメント当り=2.903V/220=13.2mA IB=3.95V/1k=3.95mAであった。8を出力すると13.2mA*7=92.4mAとなり若干定格オーバーとなる。2SA1015のICmaxは13.2mA*4=52.8mAとなる。明るさについては室内では照度が確保されているが、太陽下では殆ど視認できない。この回路でこのLEDでは4桁が限界である。LEDの電流制限抵抗は220Ωでは若干M54405Pの最大定格を上回るので値を増やす。
2桁を同時に点灯させるとM54405Pの出力電流を上回るので、デバック時や電源投入時で74HC595を初期化していない場合は、注意が必要である。いずれにしてもドライブ電流の少ないLEDを用いればこのようなことを考える必要がなくなり簡単になるが、手持ちの部品で作ると制約が多い。
電源導入後の複数桁同時点灯対策
強制的に1桁のみ点灯させる
M54450Pでドライブしているため74HC595の4bitがいずれの組み合わせでもいずれかのセグメントを点灯させてします。桁ドライブで触れたように74HC139経由でドライブすればソフトウェアにミスがあっても複数桁が同時にドライブされることは物理的に防げる。
ブランキングさせる(74HC595のG端子)
桁ドライブ信号は各桁lowにすれば点灯できてしまいます。74HC595のG端子で出力をハイインピーダンスにしておき出力側を抵抗でプルアップする。 LEDを点灯させるときはG端子をPICのIOポートによりLowにする。ただしプルアップ抵抗が増えるので煩雑である。トランジスタアレイでソース出力(はきだし型)のものであれば、入力側のトランジスタのベース・エミッタにoff時放電用の抵抗が接続されているのでプルアップ抵抗は不要である。ただし電流を出力する条件がICの種類により入力がHiかLowの違いがあるので確認しなければならない。
ブランキングさせる(M54405P)
M54405Pのブランキング信号をつかえば4桁同時に消去できる。複数桁同時対策の実際の方法
74HC595をSPIで初期設定しない場合、電源投入時の表示値は固定されていない。多くは複数桁同時点灯されている。やはり安全を考慮すると74HC139で桁信号2bitを4bitにデコードしてから桁ドライブするのが確実である。この場合74HC595が初期設定されていない場合、いずれかの桁が表示されてしまう。
さらに1bitを追加し74HC139をディセーブルするかM54405Pのブランキングを制御し完全消灯状態を作る。
74HC595の出力が8bitに対して、BCDで4bit 桁2bitであり 2bit余っているため、 ドット信号で1bit(74HC595 QG)使用しても1bit使用可能である。
といろいろ考えたが、M54405Pのブランキング端子をSPIのSS端子につなぎプルダウンしておくのが一番簡単そうである。SPI端子を使わなければプルダウンによりブランキングがLowになり表示されない。 SPIでデータを送るとSPIでデータを設定している以外はSS端子はHiなので表示が可能となる。
回路図(完成版)
動作イメージ
ダイナミックスキャンをアニメーション化してみた。概念を説明するために作成したものなので実際の動作は異なる。
svgが使用できる環境では1桁毎にステップ動作ができる。
svgが使用できない環境ではアニメーションgifで表示される。
上図でC3～C0が桁を表し、D3～D0が桁の値を示します。
C2:3桁目 Low:表示 Hi:非表示
C1:2桁目 Low:表示 Hi:非表示
C0:最下位桁 Low:表示 Hi:非表示
SDO2をセットし、SCK2をLowからHiにすると74HC595のシフトレジスタが1bit 左シフトされ、最下位に読み込まれた1bitデータが取り込まれます。これを8回繰り返します。
SS端子をHiにします。このタイミングで74HC595のラッチレジスタに今までの8bit分のデータが転送され、QAからQHに出力されます。
SCL端子をLowにするとシフトレジスタがクリアされます。
G端子をLowにするとQH～QA端子がハイインピーダンスとなります。
上のボタンをクリックすると1ビットごとに確認のメッセージボックスが表示されます。
0:Low 1:Hi x:不定
svgが使用できる環境では1桁毎にステップ動作ができる。
svgが使用できない環境ではアニメーションgifで表示される。
表示データーの設定方法
上図でC3～C0が桁を表し、D3～D0が桁の値を示します。
C3～C0
C3:最上位桁 Low:表示 Hi:非表示C2:3桁目 Low:表示 Hi:非表示
C1:2桁目 Low:表示 Hi:非表示
C0:最下位桁 Low:表示 Hi:非表示
D3～D0
| 0000 | 0001 | 0010 | 0011 | 0100 | 0101 | 0110 | 0111 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |  |  |  |
| 1000 | 1001 | 1010 | 1011 | 1100 | 1101 | 1110 | 1111 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |  |  |  |
タイミング
SS端子をLowにしておきます。SDO2をセットし、SCK2をLowからHiにすると74HC595のシフトレジスタが1bit 左シフトされ、最下位に読み込まれた1bitデータが取り込まれます。これを8回繰り返します。
SS端子をHiにします。このタイミングで74HC595のラッチレジスタに今までの8bit分のデータが転送され、QAからQHに出力されます。
SCL端子をLowにするとシフトレジスタがクリアされます。
G端子をLowにするとQH～QA端子がハイインピーダンスとなります。
74HC595のシミュレーション
8bit分のビット列を入力して74HC595シミュレーションをクリックしてください。上のボタンをクリックすると1ビットごとに確認のメッセージボックスが表示されます。
0
| 入力 | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| SCK↑ | 0 | |
| SER | 0 | |
| RCK↑ | 0 |
| シフトレジスタ | 値 | 備考 |
|---|---|---|
| シフトレジスタ | xxxxxxxx | |
| 出力QH～QA | xxxxxxxx |