【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】树莓派驱动SPI协议的LCD屏，展示动态表情

许大锤

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<i class="pstatus"> 本帖最后由 许大锤 于 2024-1-12 09:54 编辑 </i>

## 一、引言
在这篇文章中，我们将探讨如何利用树莓派的强大功能，结合SPI协议的LCD屏幕，来创建一个能显示动态表情的装置。
本文所有代码见[【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】植物情绪监测与交互系统](https://download.eeworld.com.cn/detail/%E8%AE%B8%E5%A4%A7%E9%94%A4/630752?u_atoken=2425c4110f81a841a636199f67abfd97&u_asession=014u4gQALPxpN7ytyW5FJ8crug2kSUXS4edktof7RObaZjVOVWPQCU6tiW-BixqukMdlmHJsN3PcAI060GRB4YZGyPlBJUEqctiaTooWaXr7I&u_asig=05Ju4pRRMDauGGVqy-c_gQE7Ol_K6HQBNHn_YtXFyr6_L00G8dZKxcTYlNbCV5Exe4UURK19hOo4oL_IPyMRbQbNsHrrBhiPo9_m9CV896bfCB5HfFoksTcQUZpCrC1uprvD5jbYvKA2ozrY4PkTdVuLE5lZd9rh-yutEFCeJFz5xg2QMxYs6lyXb1lFWKql56_4YxICx1iFg-yEQACd0mxXArXkJeQ7K2bSdUeD2m2m1lgF0jF3gtQzLqEc-Wy4Fwc2YVD0zX8dqKTbEGj-UVKhL8GhFz7FQUW1IT6IodSzUDBUI68plDLSuUmnNuPC0TLleCZk2CTPHc0PHO26mlZw&u_aref=X7Y0RGBZLdcpy%2BVTBub65EiCVq0%3D "【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】植物情绪监测与交互系统")中lib和emotion文件夹中的python文件。
##  二、硬件要求和设置
本项目需要以下硬件：树莓派（任何型号）、支持SPI协议的LCD屏幕以及适当的连接线。
连接LCD屏幕到树莓派的过程相对简单。首先，将屏幕的SPI接口连接到树莓派的GPIO针脚上，确保正确连接电源线和地线。
本文采用的树莓派4B，具体连线如下图：

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_773103" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=773103&handlekey=savephoto_773103">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

## 三、软件设置
### 第1步：安装Raspbian操作系统

1. **下载Raspbian镜像**：访问树莓派官方网站下载最新版本的Raspbian操作系统镜像。

2. **准备SD卡**：使用SD卡格式化工具（如SD Card Formatter）格式化SD卡。

3. **写入Raspbian镜像**：使用镜像写入工具（如Balena Etcher）将Raspbian镜像写入SD卡。

4. **启动树莓派**：将SD卡插入树莓派，连接电源、显示器、键盘和鼠标，然后启动。

5. **基本设置**：按照屏幕上的提示完成基本设置，包括设置国家、语言、时区、Wi-Fi网络和密码等。

### 第2步：启用SPI接口

在树莓派上使用SPI接口的LCD屏幕之前，需要确保SPI接口已经启用。

1. **打开终端**：在树莓派的桌面环境中打开终端。

2. **运行配置工具**：输入以下命令启动树莓派配置工具：

```bash
   sudo raspi-config
   ```

3. **启用SPI**：
   - 在配置菜单中，选择“Interface Options”。
   - 然后找到并选择“SPI”选项。
   - 选择“Yes”来启用SPI接口。
   - 确认更改并退出配置工具。

4. **重启树莓派**：更改生效前需要重启树莓派。

```bash
   sudo reboot
   ```

### 第3步：安装LCD屏幕驱动和必要的软件库
   - 确保Python已安装。树莓派通常预装了Python。
   - 安装图形处理库，如Pillow和Pygame，用于处理和显示图像。

```bash
   sudo apt-get update
   sudo apt-get install python3-pip
   pip3 install pillow pygame
   ```
## 四、将动图转换成多张单帧图片
### 第1步：获取动图
如果你可以自己做动图，那自然就有单帧的图片，但绝大多人并不掌握这个技能，所以需要我们找到一些没有版权的动图片进行转换。
我推荐去[花瓣网](https://huaban.com/ "花瓣网")，这里有丰富的设计资源，我找到一组动态表情，就以它做示范。

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_773110" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=773110&handlekey=savephoto_773110">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 第2步：拆帧
网上有许多在线拆帧工具，我就以[在线GIF图片帧拆分工具](https://uutool.cn/gif2img/ "在线GIF图片帧拆分工具")就可以成功拆帧，把压缩包下载下来即可。

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_773112" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=773112&handlekey=savephoto_773112">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 第3步：帧图片处理
从网上下载的动图往往尺寸并不满足LCD屏幕的需求，而且不同尺寸也的屏幕需要相应尺寸的屏幕才能有良好的显示，所以要对图片进行处理，我使用的是1.54寸屏幕，分辨率是240*240。
批量修改图片尺寸:

```python
from PIL import Image
import os

def resize_images(folder_path, new_width, new_height):
    for filename in os.listdir(folder_path):
        if filename.endswith(('.png', '.jpg', '.jpeg', '.bmp', '.gif')):
            img_path = os.path.join(folder_path, filename)
            with Image.open(img_path) as img:
                img = img.resize((new_width, new_height))
                img.save(img_path)

# 使用示例
folder_path = 'path/to/your/folder' # 替换为你的图片文件夹路径
new_width = 240  # 新的宽度
new_height = 240 # 新的高度
resize_images(folder_path, new_width, new_height)
```

对于一些项目，需要的是24位图像，而动图可能是32位，需要批量修改图片位数：

```python
from PIL import Image
import os

def convert_and_replace_images(folder_path):
    for filename in os.listdir(folder_path):
        if filename.endswith(('.png', '.PNG')):
            file_path = os.path.join(folder_path, filename)
            with Image.open(file_path) as img:
                # 转换为RGB格式（24位）
                rgb_img = img.convert('RGB')
                new_filename = os.path.splitext(filename)[0] + '.png'
                new_file_path = os.path.join(folder_path, new_filename)

# 保存新图像并替换旧文件
                rgb_img.save(new_file_path)

# 如果需要，删除原始PNG文件
                os.remove(file_path)

# 使用示例
folder_path = 'path/to/your/folder'  # 替换为你的文件夹路径
convert_and_replace_images(folder_path)
```
我们也可以更改动态表情的背景颜色，以下是白色转成黑色的示例：

```python
from PIL import Image
import os

def replace_white_background(folder_path):
    for filename in os.listdir(folder_path):
        if filename.endswith(('.png', '.jpg', '.jpeg', '.bmp', '.gif')):
            file_path = os.path.join(folder_path, filename)
            with Image.open(file_path) as img:
                data = img.getdata()
                new_data = []
                for item in data:
                    # 判断颜色是否足够接近白色
                    if item[0] > 200 and item[1] > 200 and item[2] > 200:
                        # 将白色替换为黑色
                        new_data.append((0, 0, 0, item[3]))
                    else:
                        new_data.append(item)

img.putdata(new_data)
                img.save(file_path)

# 使用示例
folder_path = 'path/to/your/folder'  # 替换为你的文件夹路径
replace_white_background(folder_path)
```
### 第4步：SPI驱动：
这部分网上有许多资料，这是我采用的方法：
```python
import os
import sys
import time
import spidev
import logging
import numpy as np

class RaspberryPi:
    def __init__(self,spi=spidev.SpiDev(0,0),spi_freq=40000000,rst = 27,dc = 25,bl = 18,bl_freq=1000,i2c=None,i2c_freq=100000):
        import RPi.GPIO      
        self.np=np
        self.RST_PIN= rst
        self.DC_PIN = dc
        self.BL_PIN = bl
        self.SPEED  =spi_freq
        self.BL_freq=bl_freq
        self.GPIO = RPi.GPIO
        #self.GPIO.cleanup()
        self.GPIO.setmode(self.GPIO.BCM)
        self.GPIO.setwarnings(False)
        self.GPIO.setup(self.RST_PIN,   self.GPIO.OUT)
        self.GPIO.setup(self.DC_PIN,    self.GPIO.OUT)
        self.GPIO.setup(self.BL_PIN,    self.GPIO.OUT)
        self.GPIO.output(self.BL_PIN,   self.GPIO.HIGH)        
        #Initialize SPI
        self.SPI = spi
        if self.SPI!=None :
            self.SPI.max_speed_hz = spi_freq
            self.SPI.mode = 0b00

def digital_write(self, pin, value):
        self.GPIO.output(pin, value)

def digital_read(self, pin):
        return self.GPIO.input(pin)

def delay_ms(self, delaytime):
        time.sleep(delaytime / 1000.0)

def spi_writebyte(self, data):
        if self.SPI!=None :
            self.SPI.writebytes(data)
    def bl_DutyCycle(self, duty):
        self._pwm.ChangeDutyCycle(duty)
        
    def bl_Frequency(self,freq):
        self._pwm.ChangeFrequency(freq)
           
    def module_init(self):
        self.GPIO.setup(self.RST_PIN, self.GPIO.OUT)
        self.GPIO.setup(self.DC_PIN, self.GPIO.OUT)
        self.GPIO.setup(self.BL_PIN, self.GPIO.OUT)
        self._pwm=self.GPIO.PWM(self.BL_PIN,self.BL_freq)
        self._pwm.start(100)
        if self.SPI!=None :
            self.SPI.max_speed_hz = self.SPEED        
            self.SPI.mode = 0b00     
        return 0

def module_exit(self):
        logging.debug("spi end")
        if self.SPI!=None :
            self.SPI.close()
        
        logging.debug("gpio cleanup...")
        self.GPIO.output(self.RST_PIN, 1)
        self.GPIO.output(self.DC_PIN, 0)        
        self._pwm.stop()
        time.sleep(0.001)
        self.GPIO.output(self.BL_PIN, 1)
        #self.GPIO.cleanup()
```
我们已经有了LCD驱动配置文件，接下来对不同尺寸的LCD进行适配。我以1.54寸屏幕举例：
```python

import time
from . import lcdconfig

class LCD_1inch54(lcdconfig.RaspberryPi):

width = 240
    height = 240 
    def command(self, cmd):
        self.digital_write(self.DC_PIN, self.GPIO.LOW)
        self.spi_writebyte([cmd])
        
    def data(self, val):
        self.digital_write(self.DC_PIN, self.GPIO.HIGH)
        self.spi_writebyte([val])
        
    def reset(self):
        """Reset the display"""
        self.GPIO.output(self.RST_PIN,self.GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.01)
        self.GPIO.output(self.RST_PIN,self.GPIO.LOW)
        time.sleep(0.01)
        self.GPIO.output(self.RST_PIN,self.GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.01)
        
    def Init(self):
        """Initialize dispaly"""  
        self.module_init()
        self.reset()

self.command(0x36)
        self.data(0x70)                 #self.data(0x00)

self.command(0x3A) 
        self.data(0x05)

self.command(0xB2)
        self.data(0x0C)
        self.data(0x0C)
        self.data(0x00)
        self.data(0x33)
        self.data(0x33)

self.command(0xB7)
        self.data(0x35)

self.command(0xBB)
        self.data(0x19)

self.command(0xC0)
        self.data(0x2C)

self.command(0xC2)
        self.data(0x01)

self.command(0xC3)
        self.data(0x12)

self.command(0xC4)
        self.data(0x20)

self.command(0xC6)
        self.data(0x0F)

self.command(0xD0)
        self.data(0xA4)
        self.data(0xA1)

self.command(0xE0)
        self.data(0xD0)
        self.data(0x04)
        self.data(0x0D)
        self.data(0x11)
        self.data(0x13)
        self.data(0x2B)
        self.data(0x3F)
        self.data(0x54)
        self.data(0x4C)
        self.data(0x18)
        self.data(0x0D)
        self.data(0x0B)
        self.data(0x1F)
        self.data(0x23)

self.command(0xE1)
        self.data(0xD0)
        self.data(0x04)
        self.data(0x0C)
        self.data(0x11)
        self.data(0x13)
        self.data(0x2C)
        self.data(0x3F)
        self.data(0x44)
        self.data(0x51)
        self.data(0x2F)
        self.data(0x1F)
        self.data(0x1F)
        self.data(0x20)
        self.data(0x23)
        
        self.command(0x21)

self.command(0x11)

self.command(0x29)
  
    def SetWindows(self, Xstart, Ystart, Xend, Yend):
        #set the X coordinates
        self.command(0x2A)
        self.data(0x00)               #Set the horizontal starting point to the high octet
        self.data(Xstart & 0xff)      #Set the horizontal starting point to the low octet
        self.data(0x00)               #Set the horizontal end to the high octet
        self.data((Xend - 1) & 0xff) #Set the horizontal end to the low octet 
        
        #set the Y coordinates
        self.command(0x2B)
        self.data(0x00)
        self.data((Ystart & 0xff))
        self.data(0x00)
        self.data((Yend - 1) & 0xff )

self.command(0x2C) 
        
    def ShowImage(self,Image):
        """Set buffer to value of Python Imaging Library image."""
        """Write display buffer to physical display"""
        imwidth, imheight = Image.size
        print(f"Image{imwidth} and {imheight}")
        if imwidth != self.width or imheight != self.height:
            raise ValueError('Image must be same dimensions as display \
                ({0}x{1}).' .format(self.width, self.height))
        img = self.np.asarray(Image)
        pix = self.np.zeros((self.width,self.height,2), dtype = self.np.uint8)
        pix[...,[0]] = self.np.add(self.np.bitwise_and(img[...,[0]],0xF8),self.np.right_shift(img[...,[1]],5))
        pix[...,[1]] = self.np.add(self.np.bitwise_and(self.np.left_shift(img[...,[1]],3),0xE0),self.np.right_shift(img[...,[2]],3))
        pix = pix.flatten().tolist()
        self.SetWindows ( 0, 0, self.width, self.height)
        self.digital_write(self.DC_PIN,self.GPIO.HIGH)
        for i in range(0,len(pix),4096):
            self.spi_writebyte(pix[i:i+4096])		
    
    def clear(self):
        """Clear contents of image buffer"""
        _buffer = [0xff]*(self.width * self.height * 2)
        self.SetWindows ( 0, 0, self.width, self.height)
        self.digital_write(self.DC_PIN,self.GPIO.HIGH)
        for i in range(0,len(_buffer),4096):
            self.spi_writebyte(_buffer[i:i+4096])

```
如果换其他尺寸，例如是1.47，则修改分辨率和senWindows函数即可。
```python
width = 172
height = 320
#----略-----#
   def SetWindows(self, Xstart, Ystart, Xend, Yend):
        #set the X coordinates
        self.command(0x2A)
        self.data((Xstart)>>8& 0xff)               #Set the horizontal starting point to the high octet
        self.data((Xstart+34)   & 0xff)      #Set the horizontal starting point to the low octet
        self.data((Xend-1+34)>>8& 0xff)        #Set the horizontal end to the high octet
        self.data((Xend-1+34)   & 0xff) #Set the horizontal end to the low octet 
        
        #set the Y coordinates
        self.command(0x2B)
        self.data((Ystart)>>8& 0xff)
        self.data((Ystart)   & 0xff)
        self.data((Yend-1)>>8& 0xff)
        self.data((Yend-1)   & 0xff)

self.command(0x2C) 
```
对于绝大多尺寸在代码文件中都有适配。

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_773140" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=773140&handlekey=savephoto_773140">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

## 五、运行
实现代码：
```python
import os
import sys
import logging
import spidev as SPI
sys.path.append("..")
from lib import LCD_1inch54
from PIL import Image,ImageDraw,ImageFont
import socket

# Raspberry Pi pin configuration:
RST = 27
DC = 25
BL = 18
bus = 0
device = 0
logging.basicConfig(level=logging.DEBUG)
directory = os.getcwd()

doInterrupt = 0
showOn = 0

def show(emotion):
    global doInterrupt, showOn, disp
    try:
        disp = LCD_1inch54.LCD_1inch54(spi=SPI.SpiDev(bus, device),spi_freq=90000000,rst=RST,dc=DC,bl=BL)
        disp.Init() # Initialize library.
        #disp.clear() # Clear display.
        bg = Image.new("RGB", (disp.width, disp.height), "BLACK")
        draw = ImageDraw.Draw(bg)
        # display with hardware SPI:
        for i in range(180):
            if (doInterrupt==1):
                doInterrupt = 0
                break
            else:
                image = Image.open(directory+'/emotion/'+emotion+'/frame'+str(i)+'.png')
                image = image.rotate(180)
                disp.ShowImage(image)
        showOn = 0
        disp.module_exit()
        logging.info("quit:")
    except IOError as e:
        logging.info(e)
    except KeyboardInterrupt:
        disp.module_exit()
        logging.info("quit:")
        exit()

def main():
    while True:
        global doInterrupt, showOn
        previousData = 'freeze'
        show('savory')
```
<div id="player_adc38523cca37a336916eb6f3b170eb30" class="localvideo-box"></div><div class="localvideo-title">34f53116716306c9c9f46ee0fcb924e0</div><br/>

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