LCD驱动应该怎么写?–基于stm32F407

够用的硬件
能用的代码
使用的教程

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本文章资料在:其他外设模块资料\lcd资料\资料


网络上配套STM32开发板有很多LCD例程,主要是TFT LCD跟OLED的。从这些例程,大家都能学会如何点亮一个LCD。
但是不知道有多少人会直接使用这些代码,至少我不用,不是不用,而是用不了。这代码都有下面这些问题:

1 分层不清晰,通俗讲就是模块化太差。
2 接口乱。其实只要接口不乱,分层就会好很多了。
3 可移植性差。
4 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:

1 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?
2 有一个新产品,收银设备。系统有两个LCD,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?复制一套然后改函数名称?这样确实能完成任务,只不过程序从此就进入恶性循环了。
3 一个OLED,原来接在这些IO,后来改到别的IO,容易改吗?
4 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?

大家慢慢想。

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。只是概述一些跟驱动架构设计有关的概念。至于原理跟细节,在此不做深入讨论,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等部分较贵的芯片支持。
其他例如手机上使用的有MIPI接口。
也有一些支持SPI接口的,不过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。
下图是2.8寸 TFT LCD,表面带电阻触摸屏
2.8寸屏
下图为4.0寸 IPS LCD,表面带电容触摸屏
4.0 IPS LCD

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。
所谓的COG LCD,

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:
cog
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,我没怎么用过。
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,
OLED
常见的是SPI跟I2C接口。
常见驱动IC:STR7565。

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。
硬件场景

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,常在C++中出现。
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); }

抛砖引玉,很多地方不正确,但是不想展开,大家自己搜索资料学习。

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接口。
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。

为什么要驱动跟设备分离,因为要解决下面问题:

2 有一个新产品,收银设备,系统有两个LCD,一个叫做主显示,收银员用,一个叫顾显,顾客看金额使用。怎么办?这些例程代码要怎么改才能支持两个屏幕?复制一套然后改函数名称?这样确实能完成任务,只不过程序从此就进入恶性循环了。

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,想要对LCD进行抽象,得出一个对象,就需要知道LCD到底是什么。
我们问自己下面几个问题:
1 LCD能做什么?
2 要LCD做什么?
3 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想要像是一个汉字。

1 首先,需要一个像是汉字的接口,APP调用这个接口就可以显示汉字了。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:

1 LCD可以一个点一个点显示内容。
2 要LCD显示汉字或图片-----转化后就是显示一堆点
3 APP想要LCD显示图片或问题。

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。

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

LCD驱动框架

我们设计了如下的驱动框架
驱动框架
设计思想
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。

由于嵌入式实际没那么复杂,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驱动成
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。
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机构体,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。
http://www.wujique.com/wp-content/uploads/2018/03/显示效果.jpg
- 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

1 代码请按照版权协议使用。
2 当前源码只是一个能用的设计,完整性与健壮性尚未测试。
3 后续会放到github,并且持续更新优化。
4 最新消息请关注www.wujique.com.

更多

  1. 其他更多信息请参考附件源码。
    这个源码是在STM32F407芯片上的。
    官网www.wujique.com,最新资料源码可从官网下载。

  2. 如果你觉得这个文档或是源码有用,可以发一封邮件给我表示感谢!
    让我知道时间没白费。
    或者对这份代码有优化。
    请联系:code@wujique.com

  3. 如果你是一个在校学生,看了本文档跟源码,觉得得到了收益,欢迎打赏1元钱,我们就知道,写的东西有人看。
    如果你是一个新手码农,通过本文档跟源码,学会了按键扫描,并且用在了自己的工作上,欢迎打赏n元,我们就知道,写的代码真有人用。
    如果你是一个资深码农,觉得文档讲的不错,可以给小弟们学习学习;代码也不错,可以在项目中使用,欢迎打赏nn元,“我CAO, 我们还是有点水平的嘛”。
    (可发送邮件到code@wujique.com获取最新二维码,支付宝用户名“*文婷”)。

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end

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