4 digit con HC595

Tra i moduli di costruzione cinese con display a 7 segmenti, si trovano diversi modelli che impiegano 4 cifre comandate da due 75HC595. Il costo è talmente contenuto che non ha senso costruirselo con componenti acquistati in negozio.

Abbiamo provato questo modello:

Si tratta di un blocco di 4 cifre comandat0 da 2 shift register HC595. Quello provato è venduto da dx.com, che riporta una etichetta è identificato come SKU: 433706.  Simile a questo ne esistono altri, di diversi costruttori, che possono avere schemi elettrici diversi.

Comune praticamente a tutti, però, è il fatto che non viene fornita alcuna documentazione tecnica, ma solo, al massimo, un driver per Arduino o simili.
Per poter utilizzare il prodotto al di fuori di questo ambito, occorre per prima cosa rilevare lo schema delle connessioni, altrimenti non si conosce la relazione tra le uscite degli shift register e la matrice del display.

Per quello in prova, lo schema è il seguente:

Il display è del tipo ME414B ad anodo comune, con quattro punti decimali.

I due HC595 sono collegati in cascata. 
Il primo comanda gli anodi dei display e le sue uscite devono andare a livello 1 per accendere la cifra.
Il secondo comanda i segmenti e le uscite devono andare a livello 0 per accenderli.

Il dato seriale da inviare sarà, quindi, una stringa di 16 bit: i primi trasmessi saranno relativi ai segmenti da accendere, mentre i successivi saranno relativi al digit.

Poichè sono usati solo 4 bit per il comando degli anodi, il byte relativo sarà per metà a 0.

Un circuito comandato da un display controller specializzato, ad es. il MAX7219, necessita solo di ricevere comandi e dati e provvede autonomamente al multiplex dei segmenti.
Nel caso in esame, invece, occorre che il microcontroller determini e comandi i ciclo di multiplex.
Questo richiede di accendere un digit per volta e, complessivamente, il refresh per gli 8 digit non deve superare il tempo di permanenza dell'immagine sulla retina.
In pratica, un refresh a 5ms (200Hz) è troppo lento: il ciclo complessivo occupa 4x5=20ms e questo comincia a evidenziare uno sfarfallio delle cifre.
Invece, un tempo inferiore, ad esempio 4ms (250Hz) è il massimo impiegabile (4x4=16ms) ed è ottimale.

Questo genere di cadenze è facilmente ottenibile con uno dei timer del microcontroller.

Non ci sono resistenze...

Si nota immediatamente un punto che parrebbe a sfavore: la corrente nei segmenti non dispone di alcuna resistenza di limitazione. 

Si tratta, però, di una combinazione circuitale ben particolare: in condizioni statiche, accendendo un solo segmento o tutti e sette più il punto decimale, la corrente assorbita è praticamente costante nell'area dei 50mA (da 47 a 52mA).

Questo vuol dire che, per segmento, la corrente passa da 42mA (1 solo segmento acceso) a 6.5mA (cifra 8 + dp). Questo si nota osservando la differenza tra la luminosità della cifra 1 (24mA per segmento) e quella della cifra 8 (6.5mA per segmento).

Il fenomeno, visto anche in altro circuito similare,  è dovuto alla caduta di tensione sulle resistenze di conduzione dei MOSFET di uscita degli HC595 (nella versione prodotta da Titan), che sale con l'aumentare della corrente, passando da 140mV a oltre 2.5V ed ha l'inaspettato effetto di mantenere la corrente complessiva pressochè costante.

ATTENZIONE: la misura è stata effettuata accendendo in modo statico UNA SOLA cifra per volta. 

Se malauguratamente più cifre sono accese contemporaneamente, la corrente complessiva sale a valori tali da riscaldare gli shift register e metterli in pericolo .
Più cifre potranno essere visibili contemporaneamente solo in un ciclo di multiplex, che, per ogni step, ne accende una sola. 

Il pericolo sussiste perchè il pin di Output Enable (OE) è a livello 0, ovvero le uscite sono sempre abilitate, e il pin di Reset è collegato al positivo e quindi all'arrivo della tensione di alimentazione i latch possono contenere valori casuali che accenderanno casualmente più segmenti. Se la situazione permane senza che il multiplex sia avviato, la corrente assorbita può superare ampiamente i 100mA.
Occorre, quindi, tra le prime azioni del processore, azzerare il contenuto dei latch inviando due bytes a 0 (o il primo byte a 1 per i segmenti e il secondo a 0 per gli anodi).in tal senso, un miglioramento del circuito potrebbe essere quello di scollegare il Reset dalla Vcc e interporre una rete RC per dare un impulso di clear ai latch all'arrivo della tensione. 

Durante il ciclo di multiplex, quindi, la corrente media è 50mA circa; la differenza percepita per la diversità della corrente nei segmenti a seconda del numero presentato si attenua per il basso duty cycle impiegato (1/8).

In sostanza, i valori delle correnti non superano i massimi assoluti e sul breve periodo non dovrebbe essere fonte di problemi, ma il concetto di usare la resistenza di conduzione dei MOSFET come limitatore di corrente non è il massimo della correttezza progettuale. A lungo termine è da verificare la reale durata del circuito, anche se, essendo multiplexato, la presenza di tempi off in cui il calore può essere dissipato migliora la situazione.

L'interfaccia di comunicazione.

Un connettore a 5 pin consente di inviare segnali al modulo, mentre un altro connettore è previsto per collegare più moduli in cascata:

La possibilità di collegare più moduli in cascata si scontra, però, con la necessità di usare una frequenza di refresh molto alta: con 16 display occorre almeno 1kHz (1ms).

L'interfaccia verso il microcontroller è seriale a due fili, dato e clock (chiamati DIO e SCLK), ai quali si aggiunge il segnale di latch (RCLK). I pin OE e RESET dei chip sono connessi rispettivamente al GND ed alla Vcc.

HC595 è adatto ad essere gestito dall'interfaccia SPI del microcontroller e si presta bene ad essere comandato attraverso il modulo MSSP presente su molti PIC. 
Anche se è possibile manipolare i bit necessari senza usare questa periferica, va considerato che HC595 è un componente veloce e ciò consente di usare un clock di trasmissione molto elevato, con una sensibile riduzione dei tempi dell'operazione di scrittura. Da prove fatte, un clock a 1MHz è di tutta sicurezza, mentre si può arrivare tranquillamente a 4MHz e più.

In base a queste considerazioni è stato scritto un semplice driver in Assembly per PIC Enhanced Midrange.

Il driver.

Per le prove è stato usato un PIC16F1509 che consente di avere un clock di 16MHz con l'oscillatore interno ed è dotato di modulo MSSP.

Si tratta di una riduzione di quanto applicato qui, dove le cifre disponibili sono 8.

Determiniamo una macchina a 8 stati che è gestita nel ciclo di interrupt e dal contatore dgtcntr.
Ogni stato corrisponde al refresh di un digit.
La maschera dei segmenti da accendere è conservata in un buffer di memoria RAM (dispbuf) a 8 bytes, ognuno dei quali contiene la situazione dei segmenti.
I punti decimali sono conservati in una locazione RAM (dpstac) apposita e sono aggiunti come ottavo bit alle maschere.

Le maschere dei segmenti sono caricate in un buffer momentaneo txbuf1, mentre in txbuf2 sono inseriti i bit per l'accensione degli anodi.

txbuf1 e txbuf2 sono utilizzati dalla routine di trasmissione:

I due bytes sono shiftati in successione attraverso il modulo MSSP in configurazione SPI:

La cadenza dell'interruzione è stabilita con precisione a 2ms dal Timer2:

L'uso del Timer2 presenta il vantaggio del prescaler e del postscaler, il che consente tempi piuttosto lunghi, mentre all'overflow non occorre ricaricare il contatore. Basta cancellare il flag di interruzione:

Ricordiamo che gli Enhanced Midrange hanno il salvataggio automatico del contesto all'ingresso in interrupt e il ripristino automatico al retfie, cosa comune con i PIC18F.
Se si intende eseguire il programma su un midrange, occorre ricordarsi di aggiungere queste azioni.

Il programma prevede luso di un doppio buffer per i dati da presentare sul display. Esistono quindi:

• databuf, 8 bytes, che contiene i valori da portare a display e che sarà movimentato dal programma principale

• dispbuf che contiene i dati trasformati in maschere segmenti

Un ulteriore byte dpstat contiene lo stato dei punti decimali, che può essere così gestito separatamente dai valori nuumerici. Anche questo è copiato in un byte "operativo" (dpstatc).

La conversione fra valori numerici e maschere è effettuata con una semplice lookup table del genere retlw:

Una routine provvede alla copia da uno all'altro buffer, usando i due puntatori indiretti FSR1 e FSR2:

Le istruzioni specifiche per il controllo dei puntatori movwi e moviw  rendono le operazioni quanto mai semplici.

La tabella di conversione dei segmenti è positiva (1=segmento acceso), ma viene invertita con un XOR dato che si deve applicare ai display che sono ad anodo comune.

Lo spostamento dei buffer viene effettuato se necessario all'inizio del ciclo di refresh del display:

Il programma principale, quando i dati da presentare sono variati, informa la routine di interrupt del fatto alzando un bit di flag. Se il flag non è posto a 1, la copia viene saltata. 

Il programma demo carica numeri da 1 a 4 con i punti decimali accesi e lancia l'interrupt, terminando con un loop bloccato su se stesso che lascia all'interrupt la gestione completa del display.

Nota:

Usando un Enhanced Midrange, occorre l'ambiente MPLAB-X e almeno il PICKIT3.

Documentazione.

• HC595 data sheet Texas

• HC595  data sheet Titan Micro Electronics 

• Programma demo