개발 환경

대상	버전
OS	Windows 10 24H2(Desktop), MacOS Sequoia 15.5(24F74)(MacBook M2 Air)
STM32CubeIDE	1.18.1
STM32CubeMX	6.14.1
STM32CubeProg	2.19.0
STM32CubeCLT	1.18.0
보드	Nucleo-F103RB
펌웨어	V24J46M32

사용한 모듈과 데이터 시트

모듈	데이터시트
MAX7219	https://www.alldatasheet.co.kr/datasheet-pdf/view/73745/MAXIM/MAX7219.html

SPI는?

Serial Peripheral Interface bus의 줄임말이다. Master-Slave 구조이며, 하나의 Master가 여러 Slave들에게 데이터를 송신하거나 수신받을 수 있다.

Serial

Serial은 직렬 통신을 의미한다.

출처 : ‘What is Serial Communication and How it works? [Explained]’

위 사진을 참고하면, Transmitter(Master)가 Receiver(Slave)에게 데이터를 매 클럭마다 1비트씩 보내는 것을 알 수 있다.

SPI의 통신 방식

출처 : ‘SPI | Tizen Docs’

Master와 Slave는 4개의 선으로 연결된다.

MISO(Master-In Slave-Out) : Slave가 Master에게 데이터를 전송하는 라인
MOSI(Master-Out Slave-In) : Master가 Slave들에게 데이터를 전송하는 라인
CLK(Clock) : 데이터 전송을 위한 클럭 라인
CS(Chip Select) : 데이터를 받을 Slave를 선택하는 라인

SPI 통신을 사용하기 위해서 설정해야하는 것들은 다음과 같다.

모드

CPOL(Clock Polarity)	CPHA(Clock Phase)	동작
0	0	클럭이 low인 상태에서 rising edge가 될 때 데이터를 전송한다.
0	1	클럭이 low인 상태에서 high였다가 falling edge가 될 때 데이터를 전송한다.
1	0	클럭이 high인 상태에서 falling edge가 될 때 데이터를 전송한다.
1	1	클럭이 high인 상태에서 low였다가 rising edge가 될 때 데이터를 전송한다.

글로 정리하려니 어려운데 그림을 보면 어느 위치에서 데이터를 전송하는지 쉽게 알 수 있다.출처 : ‘SPI | Tizen Docs’

SPI의 4가지 모드는 다음과 같다.
클럭
CLK라인에 전송될 클럭은 제한이 없으나, Slave가 받을 수 있도록 적절히 설정해야한다.
비트 순서
직렬로 데이터를 전달하기 때문에, MSB부터 전달할지 LSB부터 전달할지 설정해야한다.
워드? 크기(데이터 크기)
한 번에 전송할 수 있는 데이터 크기를 의미한다. 일반적으로 8비트이고, 이 역시 Slave에 따라 16비트로도 설정할 수 있다. (CubeMX에서는 16비트까지 설정이 가능한데, 이론적으로는 한 번에 전송 가능한 데이터량을 의미하니까 더 많이 보낼 수 있지 않을까?)

CubeMX 설정

Connectivity > SPI1을 누르고 Mode를 Half Duplex Master나 Transmit Only Master로 설정한다. 도트매트릭스를 사용할 거니까, Slave로부터 전달되는 데이터가 없으므로 괜찮다.

그 외 설정은 위와 같이 한다. 내가 사용한 도트 매트릭스는 LED만 있지 않고 아래 사진처럼 인터페이스 모듈이 부착되어 있어서, 인터페이스의 모듈의 데이터시트에 기반하여 설정했다.

출처 : ‘Buy 8x8 Dot Matrix Module - Cascadable, MAX7219 with cheap price’

데이터시트를 확인하면 DIN(SPI의 MOSI)으로 데이터가 전송되는데, MAX7219 모듈은 16비트 입력을 받고 있다. 그래서 Data Size를 16비트로 설정했다.

타이밍 다이어그램을 보면 CS에 의해 이 모듈이 선택되면(falling edge일 때 선택됨) CLK가 rising edge일 때 데이터 입력을 받도록 되어 있다. 따라서 CPOL을 Low로 설정했다. 이 때 가장 먼저 D15부터 입력을 받도록 되어 있으므로 MSB를 먼저 보내도록 설정했다.

CPOL을 High로 해도 정상 작동하는데, 정확한 이유를 모르겠다. High로 설정한다면 PA5와 연결된 LED가 점등되는 차이점이 있다.

Baud Rate는 도트 매트릭스와 큰 상관없기 때문에 어떻게 설정하든 괜찮다. (왜 그런지 이유에 대해서 공부가 필요하다.)

그외 추가 설정은 건드리지 않았다.

전송할 데이터 형식(데이터시트 읽기…)

CS핀 할당

위와 같이 설정했다면 16비트의 데이터를 전송하여 MAX7219 모듈을 다룰 수 있다. 주의할 점은 타이밍 다이어그램에서 해당 Slave를 선택하는 CS를 High에서 Low로 바꿨을 때 데이터 전송이 이루어진다는 점이다. 따라서 GPIO를 사용해 CS핀을 하나 할당한다.

F103RB보드에서는 SPI로 PA5와 PA7을 사용중이어서 PA6을 GPIO Output으로 설정하여 CS핀으로 동작하도록 만들었다.

데이터 전송 함수

CS핀을 사용해 Falling edge를 만든 후 데이터 전송을 하기 위해 다음과 같이 전송 함수를 작성했다.

#define PIN_CS GPIO_PIN_6

void LED_Matrix_Send(SPI_HandleTypeDef *hspi1, uint16_t data) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, PIN_CS, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(hspi1, (uint8_t *)&data, 1, 0xFF);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, PIN_CS, GPIO_PIN_SET);
}

전송 함수를 호출할 때 데이터 인자 타입이 uint8_t 인데, 앞서 데이터 사이즈를 16비트로 설정했다면 HAL_SPI_Transmit()함수 내부에서 검사 후 uint16_t 타입으로 변환하여 전송한다.

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, const uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
{
  // ... 생략

  /* Transmit data in 16 Bit mode */
  if (hspi->Init.DataSize == SPI_DATASIZE_16BIT)
  {
    if ((hspi->Init.Mode == SPI_MODE_SLAVE) || (initial_TxXferCount == 0x01U))
    {
      hspi->Instance->DR = *((const uint16_t *)hspi->pTxBuffPtr);
      hspi->pTxBuffPtr += sizeof(uint16_t);
      hspi->TxXferCount--;
    }
    /* Transmit data in 16 Bit mode */
    while (hspi->TxXferCount > 0U)
    {
      /* Wait until TXE flag is set to send data */
      if (__HAL_SPI_GET_FLAG(hspi, SPI_FLAG_TXE))
      {
        hspi->Instance->DR = *((const uint16_t *)hspi->pTxBuffPtr);
        hspi->pTxBuffPtr += sizeof(uint16_t);
        hspi->TxXferCount--;
      }
      else
      {
        /* Timeout management */
        if ((((HAL_GetTick() - tickstart) >=  Timeout) && (Timeout != HAL_MAX_DELAY)) || (Timeout == 0U))
        {
          hspi->State = HAL_SPI_STATE_READY;
          __HAL_UNLOCK(hspi);
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
    }
  }
  /* Transmit data in 8 Bit mode */
  else
  {
    // ... 생략
  }
}

도트 매트릭스 초기화

위에 명시해둔 데이터 시트를 보면 알겠지만, MAX7219 모듈은 사실 0~7의 정수를 표현하는 7-segment LED를 다루기 위해 제작된 모듈이다. 그래서 대부분의 내용이 7-segment에 맞추어 작성되어 있는데, LED를 점등하기 위해 총 16개의 출력핀을 사용하고 있다. 이게 전부 도트 매트릭스에 연결되어 있으므로 기존 용도 대신 직접 출력 핀을 제어하는 방법을 사용하면 도트 매트릭스의 LED를 자유자재로 키고 끌 수 있다.

7페이지에서 Initial Power-Up 항목을 확인하면 다음과 같이 작동된다고 한다.

파워가 연결되면 모든 레지스터가 초기화 된다.
먼저 셧다운 모드로 설정된다.
1개의 digit만 스캔하는 모드로 설정된다.
밝기 레지스터도 최소로 설정된다.

레지스터의 종류는 다음과 같다.

셧다운 레지스터

디코드 레지스터

밝기 레지스터

스캔 제한? 레지스터

디스플레이 테스트 레지스터

위 절차가 끝난 이후에 SPI 통신을 통해 몇가지 설정을 할 수 있다.

셧다운 모드가 활성화되면 모든 LED가 꺼지게 되므로 비활성화 해야한다. 그리고 디코드 모드 역시 7-segment를 위한 동작이므로 디코드 하지 않고 입력을 곧바로 출력시키도록 설정해야한다. 디스플레이 테스트 역시 불필요하므로 비활성화 해야하고, 스캔 제한 모드는 항상 최대로 설정해야한다(사실 어떤 역할인지 잘 모르겠다).

// matrix.h
#define LED_MATRIX_SHUTDOWN_MODE_ADDRESS 0x0C00
#define LED_MATRIX_DECODE_MODE_ADDRESS 0x0900
#define LED_MATRIX_SCAN_MODE_ADDRESS 0x0B00
#define LED_MATRIX_DISPLAY_TEST_ADDRESS 0x0F00
#define LED_MATRIX_INTENSITY_ADDRESS 0x0A00

#define LED_MATRIX_SHUTDOWN_MODE_ENABLE 0x0000
#define LED_MATRIX_SHUTDOWN_MODE_DISABLE 0x0001
#define LED_MATRIX_DECODE_MODE_DISABLE 0x0000
#define LED_MATRIX_SCAN_MODE_ALL 0x0007
#define LED_MATRIX_DISPLAY_TEST_DISABLE 0x0000
#define LED_MATRIX_DISPLAY_TEST_ENABLE 0x0001
/**
 * Intensity value range is [1,16).
 * parameter will be extended to [1, 32) with step 2
 */
#define LED_MATRIX_INTENSITY_VALUE(X) (MAX(0, MIN((2 * X - 1), 31)))
void LED_Matrix_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi);

매크로 값의 근거는 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

// matrix.c
void LED_Matrix_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    // 셧다운 모드 탈출
    LED_Matrix_Send(hspi, LED_MATRIX_SHUTDOWN_MODE_ADDRESS |
                              LED_MATRIX_SHUTDOWN_MODE_DISABLE);
    // 디코드 모드 해제
    LED_Matrix_Send(hspi, LED_MATRIX_DECODE_MODE_ADDRESS |
                              LED_MATRIX_DECODE_MODE_DISABLE);
    // 디스플레이 테스트 모드 해제
    LED_Matrix_Send(hspi, LED_MATRIX_DISPLAY_TEST_ADDRESS |
                              LED_MATRIX_DISPLAY_TEST_DISABLE);
    // 스캔 모드 활성화
    LED_Matrix_Send(hspi,
                    LED_MATRIX_SCAN_MODE_ADDRESS | LED_MATRIX_SCAN_MODE_ALL);
    // 밝기 최소로 설정
    LED_Matrix_Send(hspi, LED_MATRIX_INTENSITY_ADDRESS |
                              LED_MATRIX_INTENSITY_VALUE(1));
}

LED 출력

Functional Diagram을 확인하면 모듈의 출력으로 Segment Driver와 Digit Driver가 있다.

Segment Driver는 LED와 곧바로 연결되어 있어서 위 사진과 같이 어느 비트가 어느 LED와 연결되어 있는지 알 수 있다. Table 1과 5를 참고하면 Segment Driver가 하위 8비트, Digit Driver가 상위 8비트임을 유추할 수 있다. 그리고 도트 매트릭스의 경우 행과 열에 따라 LED를 점등하므로 Segment Driver8비트를 열으로, Digit Driver를 행으로 설정하여 데이터를 전송하면 LED를 점등시킬 수 있다.

void LED_Matrix_Print(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *matrix) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        uint16_t addr = 0x0100 * (i + 1);
        LED_Matrix_Send(hspi, addr | matrix[i]);
    }
}

위와 같이 함수를 작성하였다.

실행 결과는 아래 사진과 같다.

참고 자료

https://controllerstech.com/led-dot-matrix-and-stm32/

전체 코드

https://github.com/10cheon00/STM32-Study/tree/main/Dot_Matrix_SPI_ex