网络上有很多为STM32开发板编写的LCD示例代码,主要涵盖TFT LCD和OLED等类型。通过这些示例代码,开发者们可以学习如何点亮一个LCD屏幕。然而,这些代码存在以下问题:
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分层结构不清晰,缺乏模块化设计。 -
接口设计混乱。只要接口设计得合理,分层结构的设计也会得到改善。 -
可移植性较差。 -
通用性较差。
为什么会这样说呢?如果你已经了解了LCD的操作,请考虑以下情景:
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如果代码空间有限,只能保留9341 LCD驱动,而删除其他LCD驱动。能够通过简单的一键操作(宏定义)实现删除吗?删除后需要修改多少地方才能通过编译?
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假设有一个新产品是收银设备,该系统有两个OLED屏幕,其驱动IC相同,但一个是128×64像素,另一个是128×32像素,一个用作主显示屏供收银员使用,另一个用作顾显,供顾客查看金额。该如何处理?如何修改这些示例代码,以支持这两个屏幕呢?是要将所有代码复制粘贴,并修改函数名称吗?这种方法可以完成任务,但程序也会陷入恶性循环。
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假设一个OLED屏幕,最初连接在某些IO口,现在需要更改连接到其他IO口,这样的更改容易吗?
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假设最初只需要支持中文,现在需要将产品销售到南美,并支持多米尼加语言。这样的改动容易吗?
针对以上问题,目前的LCD示例代码可能难以满足不同需求和场景的灵活性和可扩展性。因此,我们需要更加清晰和模块化的设计,以提高代码的可移植性和通用性。
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:
IPS:
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:
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:
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STR7565,128×64像素。
4、有一个OLED LCD,接在SPI3上,使用CS2控制片选,驱动IC是SSD1315。
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GOOGLE。
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128×64,另一个是128×32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:
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。
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:
-
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。
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