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纯净的硅(高级)

STM32的LCD驱动编写思路,附代码分析 [复制链接]

本帖最后由 火辣西米秀 于 2021-11-28 12:05 编辑
STM32开发板有很多配套LCD例程,如下图就是开发板上最常见的一种TFTLCD屏。商家会给封装好一些LCD函数,大家能学会如何点亮一个LCD。

image.png  

    在主函数中加入上述代码就可以轻松实现下面输出字符串、画矩形块、清屏等效果。

640?wx_fmt=gif

 
    但是这些例程代码或许有下面的问题:
  • 分层不清晰,通俗讲就是模块化太差

  • 接口乱,只要接口不乱,分层就会好很多了

  • 可移植性差

  • 通用性差

    为什么这样说呢?如果你已经了解了LCD的操作,请思考如下情景:

  • 代码空间不够,只能保留9341的驱动,其他LCD驱动全部删除。能一键(一个宏定义)删除吗?删除后要改多少地方才能编译通过?

  • 有一个新产品,收银设备。系统有两个LCD,都是OLED,驱动IC相同,但是一个是128x64,另一个是128x32像素,一个叫做主显示,收银员用;一个叫顾显,顾客看金额。怎么办?这些例程代码要怎么改才能支持两个屏幕?全部代码复制粘贴然后改函数名称?这样确实能完成任务,只不过程序从此就进入恶性循环了。

  • 一个OLED,原来接在这些IO,后来改到别的IO,容易改吗?

  • 原来只是支持中文,现在要卖到南美,要支持多米尼加语言,好改吗?

LCD种类概述

    在讨论怎么写LCD驱动之前,我们先大概了解一下嵌入式常用LCD。概述一些跟驱动架构设计有关的概念,在此不对原理和细节做深入讨论,会有专门文章介绍,或者参考网络文档。

TFT lcd

    TFT LCD,也就是我们常说的彩屏。通常像素较高,例如常见的2.8寸,320X240像素。4.0寸的,像素800X400。这些屏通常使用并口,也就是8080或6800接口(STM32 的FSMC接口);或者是RGB接口,STM32F429等芯片支持。其他例如手机上使用的有MIPI接口。

    总之,接口种类很多。也有一些支持SPI接口的。除非是比较小的屏幕,否则不建议使用SPI接口,速度慢,刷屏闪屏。玩STM32常用的TFT lcd屏幕驱动IC通常有:ILI9341/ILI9325等。

tft lcd:

640?wx_fmt=png

IPS:

640?wx_fmt=jpeg

COG lcd

    很多人可能不知道COG LCD是什么,我觉得跟现在开发板销售方向有关系,大家都出大屏,玩酷炫界面,对于更深的技术,例如软件架构设计,都不涉及。使用单片机的产品,COG LCD其实占比非常大。COG是Chip On Glass的缩写,就是驱动芯片直接绑定在玻璃上,透明的。实物像下图:

640?wx_fmt=jpeg

    这种LCD通常像素不高,常用的有128X64,128X32。一般只支持黑白显示,也有灰度屏。

    接口通常是SPI,I2C。也有号称支持8位并口的,不过基本不会用,3根IO能解决的问题,没必要用8根吧?常用的驱动IC:STR7565。

OLED lcd

    买过开发板的应该基本用过。新技术,大家都感觉高档,在手环等产品常用。OLED目前屏幕较小,大一点的都很贵。在控制上跟COG LCD类似,区别是两者的显示方式不一样。从我们程序角度来看,最大的差别就是,OLED LCD,不用控制背光。。。。。实物如下图:

640?wx_fmt=png

    常见的是SPI跟I2C接口。常见驱动IC:SSD1615。

硬件场景

    接下来的讨论,都基于以下硬件信息:

1、有一个TFT屏幕,接在硬件的FSMC接口,什么型号屏幕?不知道。

2、有一个COG lcd,接在几根普通IO口上,驱动IC是STR7565,128X32像素。

3、有一个COG LCD,接在硬件SPI3跟几根IO口上,驱动IC是STR7565,128x64像素。

4、有一个OLED LCD,接在SPI3上,使用CS2控制片选,驱动IC是SSD1315。

640?wx_fmt=jpeg

预备知识

    在进入讨论之前,我们先大概说一下下面几个概念,对于这些概念,如果你想深入了解,请自行搜索,也可以加微信hplwbs拉你进群交流。

面向对象

    面向对象,是编程界的一个概念。什么叫面向对象呢?编程有两种要素:程序(方法),数据(属性)。例如:一个LED,我们可以点亮或者熄灭它,这叫方法。LED什么状态?亮还是灭?这就是属性。我们通常这样编程:

u8 ledsta = 0;void ledset(u8 sta){}

    这样的编程有一个问题,假如我们有10个这样的LED,怎么写?这时我们可以引入面向对象编程,将每一个LED封装为一个对象。可以这样做:

/*定义一个结构体,将LED这个对象的属性跟方法封装。这个结构体就是一个对象。但是这个不是一个真实的存在,而是一个对象的抽象。*/typedef struct{    u8 sta;    void (*setsta)(u8 sta);}LedObj;
/*  声明一个LED对象,名称叫做LED1,并且实现它的方法drv_led1_setsta*/void drv_led1_setsta(u8 sta){}
LedObj LED1={        .sta = 0,        .setsta = drv_led1_setsta,    };
/*  声明一个LED对象,名称叫做LED2,并且实现它的方法drv_led2_setsta*/void drv_led2_setsta(u8 sta){}
LedObj LED2={        .sta = 0,        .setsta = drv_led2_setsta,    };    /*  操作LED的函数,参数指定哪个led*/void ledset(LedObj *led, u8 sta){    led->setsta(sta);}

    是的,在C语言中,实现面向对象的手段就是结构体的使用。上面的代码,对于API来说,就很友好了。操作所有LED,使用同一个接口,只需告诉接口哪个LED。大家想想,前面说的LCD硬件场景。4个LCD,如果不面向对象,「显示汉字的接口是不是要实现4个」?每个屏幕一个?

驱动与设备分离

    如果要深入了解驱动与设备分离,请看LINUX驱动的书籍。

    什么是设备?我认为的设备就是「属性」,就是「参数」,就是「驱动程序要用到的数据和硬件接口信息」。那么驱动就是「控制这些数据和接口的代码过程」。

    通常来说,如果LCD的驱动IC相同,就用相同的驱动。有些不同的IC也可以用相同的,例如SSD1315跟STR7565,除了初始化,其他都可以用相同的驱动。例如一个COG lcd:

驱动IC是STR7565 128 * 64 像素用SPI3背光用PF5 ,命令线用PF4 ,复位脚用PF3

    上面所有的信息综合,就是一个设备。驱动就是STR7565的驱动代码。

    为什么要驱动跟设备分离,因为要解决下面问题:

有一个新产品,收银设备。系统有两个LCD,都是OLED,驱动IC相同,但是一个是128x64,另一个是128x32像素,一个叫做主显示,收银员用;一个叫顾显,顾客看金额。

    这个问题,「两个设备用同一套程序控制」才是最好的解决办法。驱动与设备分离的手段:

在驱动程序接口函数的参数中增加设备参数,驱动用到的所有资源从设备参数传入。

    驱动如何跟设备绑定呢?通过设备的驱动IC型号。

模块化

    我认为模块化就是将一段程序封装,提供稳定的接口给不同的驱动使用。不模块化就是,在不同的驱动中都实现这段程序。例如字库处理,在显示汉字的时候,我们要找点阵,在打印机打印汉字的时候,我们也要找点阵,你觉得程序要怎么写?把点阵处理做成一个模块,就是模块化。非模块化的典型特征就是「一根线串到底,没有任何层次感」。

LCD到底是什么

    前面我们说了面向对象,现在要对LCD进行抽象,得出一个对象,就需要知道LCD到底是什么。问自己下面几个问题:

  • LCD能做什么?
  • 要LCD做什么?
  • 谁想要LCD做什么?

    刚刚接触嵌入式的朋友可能不是很了解,可能会想不通。我们模拟一下LCD的功能操作数据流。APP想要在LCD上显示 一个汉字。

    1、首先,需要一个显示汉字的接口,APP调用这个接口就可以显示汉字,假设接口叫做lcd_display_hz。

    2、汉字从哪来?从点阵字库来,所以在lcd_display_hz函数内就要调用一个叫做find_font的函数获取点阵。

    3、获取点阵后要将点阵显示到LCD上,那么我们调用一个ILL9341_dis的接口,将点阵刷新到驱动IC型号为ILI9341的LCD上。

    4、ILI9341_dis怎么将点阵显示上去?调用一个8080_WRITE的接口。

好的,这个就是大概过程,我们从这个过程去抽象LCD功能接口。汉字跟LCD对象有关吗?无关。在LCD眼里,无论汉字还是图片,都是一个个点。那么前面问题的答案就是:

  • LCD可以一个点一个点显示内容。
  • 要LCD显示汉字或图片-----就是显示一堆点
  • APP想要LCD显示图片或文字。

    结论就是:所有LCD对象的功能就是显示点。「那么驱动只要提供显示点的接口就可以了,显示一个点,显示一片点。」 抽象接口如下:

/*    LCD驱动定义*/typedef struct  {    u16 id;
    s32 (*init)(DevLcd *lcd);    s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);    s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);    s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);    s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);    s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);    void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);    void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);}_lcd_drv;

    上面的接口,也就是对应的驱动,包含了一个驱动id号。

  • id,驱动型号
  • 初始化
  • 画点
  • 将一片区域的点显示某种颜色
  • 将一片区域的点显示某些颜色
  • 显示开关
  • 准备刷新区域(主要彩屏直接DMA刷屏使用)
  • 设置扫描方向
  • 背光控制

    显示字符,划线等功能,不属于LCD驱动。应该归类到GUI层。

LCD驱动框架

    我们设计了如下的驱动框架:

640?wx_fmt=jpeg

    设计思路:

    1、中间显示驱动IC驱动程序提供统一接口,接口形式如前面说的_lcd_drv结构体。

    2、各显示IC驱动根据设备参数,调用不同的接口驱动。例如TFT就用8080驱动,其他的都用SPI驱动。SPI驱动只有一份,用IO口控制的我们也做成模拟SPI。

    3、LCD驱动层做LCD管理,例如完成TFT LCD的识别。并且将所有LCD接口封装为一套接口。

    4、简易GUI层封装了一些显示函数,例如划线、字符显示。

    5、字体点阵模块提供点阵获取与处理接口。

    由于实际没那么复杂,在例程中我们将GUI跟LCD驱动层放到一起。TFT LCD的两个驱动也放到一个文件,但是逻辑是分开的。OLED除初始化,其他接口跟COG LCD基本一样,因此这两个驱动也放在一个文件。

代码分析

    代码分三层:

    1、GUI和LCD驱动层 dev_lcd.c dev_lcd.h

    2、显示驱动IC层 dev_str7565.c & dev_str7565.h dev_ILI9341.c & dev_ILI9341.h

    3、接口层 mcu_spi.c & mcu_spi.h stm324xg_eval_fsmc_sram.c & stm324xg_eval_fsmc_sram.h

GUI和LCD层

    这层主要有3个功能 :

「1、设备管理」

    首先定义了一堆LCD参数结构体,结构体包含ID,像素。并且把这些结构体组合到一个list数组内。

/*  各种LCD的规格参数*/_lcd_pra LCD_IIL9341 ={        .id   = 0x9341,        .width = 240,   //LCD 宽度        .height = 320,  //LCD 高度};.../*各种LCD列表*/_lcd_pra *LcdPraList[5]=            {                &LCD_IIL9341,                       &LCD_IIL9325,                &LCD_R61408,                &LCD_Cog12864,                &LCD_Oled12864,            };

    然后定义了所有驱动list数组,数组内容就是驱动,在对应的驱动文件内实现。

/*  所有驱动列表    驱动列表*/_lcd_drv *LcdDrvList[] = {                    &TftLcdILI9341Drv,                    &TftLcdILI9325Drv,                    &CogLcdST7565Drv,                    &OledLcdSSD1615rv,                    }

    定义了设备树,即是定义了系统有多少个LCD,接在哪个接口,什么驱动IC。如果是一个完整系统,可以做成一个类似LINUX的设备树。

/*设备树定义*/#define DEV_LCD_C 3//系统存在3个LCD设备LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]={    {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},    {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},};

「2 、接口封装」

void dev_lcd_setdir(DevLcd *obj, u8 dir, u8 scan_dir)s32 dev_lcd_init(void)DevLcd *dev_lcd_open(char *name)s32 dev_lcd_close(DevLcd *dev)s32 dev_lcd_drawpoint(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color)s32 dev_lcd_prepare_display(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey)s32 dev_lcd_display_onoff(DevLcd *lcd, u8 sta)s32 dev_lcd_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color)s32 dev_lcd_color_fill(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 color)s32 dev_lcd_backlight(DevLcd *lcd, u8 sta)

    大部分接口都是对驱动IC接口的二次封装。有区别的是初始化和打开接口。初始化,就是根据前面定义的设备树,寻找对应驱动,找到对应设备参数,并完成设备初始化。打开函数,根据传入的设备名称,查找设备,找到后返回设备句柄,后续的操作全部需要这个设备句柄。

「3 、简易GUI层」

    目前最重要就是显示字符函数。

s32 dev_lcd_put_string(DevLcd *lcd, FontType font, int x, int y, char *s, unsigned colidx)

    其他划线画圆的函数目前只是测试,后续会完善。

驱动IC层

    驱动IC层分两部分:

「1 、封装LCD接口」

    LCD有使用8080总线的,有使用SPI总线的,有使用VSPI总线的。这些总线的函数由单独文件实现。但是,除了这些通信信号外,LCD还会有复位信号,命令数据线信号,背光信号等。我们通过函数封装,将这些信号跟通信接口一起封装为「LCD通信总线」, 也就是buslcd。BUS_8080在dev_ILI9341.c文件中封装。BUS_LCD1和BUS_lcd2在dev_str7565.c 中封装。

「2 驱动实现」

    实现_lcd_drv驱动结构体。每个驱动都实现一个,某些驱动可以共用函数。

_lcd_drv CogLcdST7565Drv = {                            .id = 0X7565,
                            .init = drv_ST7565_init,                            .draw_point = drv_ST7565_drawpoint,                            .color_fill = drv_ST7565_color_fill,                            .fill = drv_ST7565_fill,                            .onoff = drv_ST7565_display_onoff,                            .prepare_display = drv_ST7565_prepare_display,                            .set_dir = drv_ST7565_scan_dir,                            .backlight = drv_ST7565_lcd_bl                            };

接口层

    8080层比较简单,用的是官方接口。SPI接口提供下面操作函数,可以操作SPI,也可以操作VSPI。

extern s32 mcu_spi_init(void);extern s32 mcu_spi_open(SPI_DEV dev, SPI_MODE mode, u16 pre);extern s32 mcu_spi_close(SPI_DEV dev);extern s32 mcu_spi_transfer(SPI_DEV dev, u8 *snd, u8 *rsv, s32 len);extern s32 mcu_spi_cs(SPI_DEV dev, u8 sta);

    至于SPI为什么这样写,会有一个单独文件说明。

总体流程

    前面说的几个模块时如何联系在一起的呢?请看下面结构体:

/*  初始化的时候会根据设备数定义,    并且匹配驱动跟参数,并初始化变量。    打开的时候只是获取了一个指针 */struct _strDevLcd{    s32 gd;//句柄,控制是否可以打开
    LcdObj   *dev;    /* LCD参数,固定,不可变*/    _lcd_pra *pra;
    /* LCD驱动 */    _lcd_drv *drv;
    /*驱动需要的变量*/    u8  dir;    //横屏还是竖屏控制:0,竖屏;1,横屏。    u8  scandir;//扫描方向    u16 width;  //LCD 宽度    u16 height; //LCD 高度
    void *pri;//私有数据,黑白屏跟OLED屏在初始化的时候会开辟显存};

    每一个设备都会有一个这样的结构体,这个结构体在初始化LCD时初始化。

  • 成员dev指向设备树,从这个成员可以知道设备名称,挂在哪个LCD总线,设备ID。
  •  
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typedef struct{    char *name;//设备名字    LcdBusType bus;//挂在那条LCD总线上    u16 id;}LcdObj;
  • 成员pra指向LCD参数,可以知道LCD的规格。
typedef struct{    u16 id;    u16 width;  //LCD 宽度  竖屏    u16 height; //LCD 高度    竖屏}_lcd_pra;
  • 成员drv指向驱动,所有操作通过drv实现。

    typedef struct { u16 id;

    s32 (*init)(DevLcd *lcd);
    s32 (*draw_point)(DevLcd *lcd, u16 x, u16 y, u16 color);    s32 (*color_fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey, u16 color);    s32 (*fill)(DevLcd *lcd, u16 sx,u16 ex,u16 sy,u16 ey,u16 *color);
    s32 (*prepare_display)(DevLcd *lcd, u16 sx, u16 ex, u16 sy, u16 ey);
    s32 (*onoff)(DevLcd *lcd, u8 sta);    void (*set_dir)(DevLcd *lcd, u8 scan_dir);    void (*backlight)(DevLcd *lcd, u8 sta);}_lcd_drv;
  • 成员dir、scandir、 width、 height是驱动要使用的通用变量。因为每个LCD都有一个结构体,一套驱动程序就能控制多个设备而互不干扰。
  • 成员pri是一个私有指针,某些驱动可能需要有些比较特殊的变量,就全部用这个指针记录,通常这个指针指向一个结构体,结构体由驱动定义,并且在设备初始化时申请变量空间。目前主要用于COG LCD跟OLED LCD显示缓存。

    整个LCD驱动,就通过这个结构体组合在一起。

    1、初始化,根据设备树,找到驱动跟参数,然后初始化上面说的结构体。

    2、要使用LCD前,调用dev_lcd_open函数。打开成功就返回一个上面的结构体指针。

    3、显示字符,接口找到点阵后,通过上面结构体的drv,调用对应的驱动程序。

    4、驱动程序根据这个结构体,决定操作哪个LCD总线,并且使用这个结构体的变量。

用法和好处

  • 好处1

    请看测试程序:

void dev_lcd_test(void){ DevLcd *LcdCog; DevLcd *LcdOled; DevLcd *LcdTft;

    /*  打开三个设备 */    LcdCog = dev_lcd_open("coglcd");    if(LcdCog==NULL)        uart_printf("open cog lcd err\r\n");
    LcdOled = dev_lcd_open("oledlcd");    if(LcdOled==NULL)        uart_printf("open oled lcd err\r\n");
    LcdTft = dev_lcd_open("tftlcd");    if(LcdTft==NULL)        uart_printf("open tft lcd err\r\n");
    /*打开背光*/    dev_lcd_backlight(LcdCog, 1);    dev_lcd_backlight(LcdOled, 1);    dev_lcd_backlight(LcdTft, 1);
    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc,", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是oled lcd", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdOled, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,1, "ABC-abc,", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 13, "这是cog lcd", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SONGTI_1212, 10,30, "www.wujique.com", BLACK);    dev_lcd_put_string(LcdCog, FONT_SIYUAN_1616, 1, 47, "屋脊雀工作室", BLACK);
    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,30, "ABC-abc,", RED);    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,60, "这是tft lcd", RED);    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SONGTI_1212, 20,100, "www.wujique.com", RED);    dev_lcd_put_string(LcdTft, FONT_SIYUAN_1616, 20,150, "屋脊雀工作室", RED);
    while(1);}

    使用一个函数dev_lcd_open,可以打开3个LCD,获取LCD设备。然后调用dev_lcd_put_string就可以在不同的LCD上显示。其他所有的gui操作接口都只有一个。这样的设计对于APP层来说,就很友好。显示效果:

640?wx_fmt=jpeg

  • 好处2

    现在的设备树是这样定义的:

LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]={    {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},    {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},};

    某天,oled lcd要接到SPI上,只需要将设备树数组里面的参数改一下,就可以了,当然,在一个接口上不能接两个设备。

LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]={    {"oledlcd", LCD_BUS_SPI, 0X1315},    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},};

字库

    暂时不做细说,例程的字库放在SD卡中,各位移植的时候根据需要修改。具体参考font.c。

声明

    代码请按照版权协议使用。当前源码只是一个能用的设计,完整性与健壮性尚未测试。后续会放到github,并且持续更新优化。

来源:屋脊雀

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一粒金砂(初级)

关注先,慢慢学习


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整理的挺全面的,就是代码那排版有点小问题。


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一粒金砂(中级)

非常感谢分享,难得的好资料正好需要,楼主辛苦了!


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