5.6.3 ARM微控制器外设：SPI编程实例—OLED显示屏驱动在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统MOOC课堂

这个单元我们进行

我们SPI同步串行通讯外设的

最后一个单元

带着大家来实操和编程

那么在讲PWM的时候

我们通过实操编程

把这个板子上的音乐给播放了出来

我当时说这是里头最最好玩的一个模块

其实这个单元我要带着大家做的

我认为是比最最好玩

还要最最好玩的一个模块

就是把我们上面的OLED的

这个点阵显示屏给点亮

这个学期课的最初给大家展示

很多同学在这个板上能做的作品的时候

最最酷炫的莫过于一些很有意思的小游戏

或者是一些科学仪器

有一个屏幕显示了丰富的信息乃至图像

那么我们怎么才能把这样一个屏幕

酷炫爆的给点起来呢

就是这节课带着大家做的

我们所使用OLED这个点阵屏

它可以工作在并行的模式

但是我们最最简单在这个板上的电路里头

是使用SPI与它连接

我们来读一读它的电路图

是左边这个看着凌凌乱乱的这张图

那么里头有很多电源

有很多地

大家慢慢的学电子学要学会读图对吧

我们抛开这些复杂的电阻电容

提炼出里头有用信息的干货

我们会发现什么呢

我们会发现最最重要的是

几个信号引脚的接法

我们的PortD的第二个引脚

一直到PortD的第三个引脚

第一个引脚这些引脚

都被分别用来接了这个屏幕的

DC、Rest、Clock和MOSI

那么我们会发现这个屏幕

使用SPI的接口来进行通讯

而且使用的是半个SPI接口 为什么

因为有很多同学刚才听的很认真

就说SPI它的数据引脚是两根

一根是MOSI

一根是MISO是吧

我们这里只出现了其中一根

为什么呢

因为我们的屏幕基本上是一个只写设备

就只是主机给我们的屏幕写数据

让屏幕更新显示内容

在我们所使用的这块屏上

它没有要反馈给CPU的数据

所以为了节约引脚

它实际上只留了单向通讯

也就是在时钟的驱动下

主机通过Master Output Slave Input MOSI引脚

向屏幕发送数据

就实现了这个屏幕的显示

然后在这个屏幕里头

片选的SS引脚

是一直接地的待会会看到的

然后有一个Reset引脚

是控制这个屏幕上电的时候

完成一次由高到低电平控制的复位

然后DC引脚是控制我们主机

通过SPI接口向这个屏幕所写的

是对屏幕显示功能的控制命令

还是屏幕上要所要显示内容的像素数据

由这个DC引脚的高低电平

来切换Data or Comand 就这么一个接口

那么与之相关的

我们去看看PTD4一直到PTD3

PTD1 一直到PTD21这些引脚

在我们的芯片手册上

它都有没有SPI的功能

或者是有没有我们所要用的功能

那么很显然

我们查一查芯片手册就会发现

DC引脚、Rest引脚其实就是当IO用

给高电平 给低电平

把它配置为IO就可以了

PTD1和PTD3这两个引脚

一个给SPI接口当时钟用

一个SPI接口用做MOSI

我们就应该把它配置成

它所对应的那个功能来当SPI接口用

读完图获得的信息其实就是这些

剩下的问题就是我们如何正确的配置

所对应的SPI模块

然后与我们这个显示屏的

这个芯片显示屏能够通讯起来 对不对

那么在这个部分我不是一次实验

为什么是课呢

因为我要带着大家

逐渐学会若干个技巧和领会若干个思想

其中第一件事情

就是我们做嵌入式系统的时候

我们经常会外扩

今天是曾老师给了你一个屏幕

说已经画成电路是这样的

如果你自己希望设计一个系统

从市场上买到一个屏幕

买到一个SPI接口的芯片

你想把它跟你的微控制器用起来

你应该注意什么呢

第一件事情就是你找厂商

一定在买的同时要它的芯片手册

没有要到你就用谷歌 用百度

去网上搜到芯片手册 注意不要搜错了

去认真读芯片手册

把你Interface接口这个部分的电路

一定要找出来看清楚

那么这个信息往往很晦涩

我来带着大家如何从芯片手册

提取有用信息来编程

比如我们使用这样一个

128乘以64的点阵的小小的OLED很便宜

10块钱 20块钱你找到了以后你会发现

他就有一个比较简略的芯片手册

翻翻翻翻如果大家翻到第16页

就能看到我屏幕上

我给大家的这样一个时序图

和这样一个时序的信息表

那么这个图很多同学不会看

特别初学者就晕了

觉得这个手册这么厚

我怎么找到这个信息呢

首先找图表

找到了以后一定会有个时序

会有一个电器特性这样一张总表

这是非常有用的

那么大家来看这张图 这张表

你从里头能看到什么信息

很多同学什么信息都看不出来

叫一脸蒙逼是吧

不是的

我们要结合刚才讲的SPI的知识来看它

你会发现这是一个什么通讯啊

这是一个同步串行通讯

它有时钟信号

底下有切换的数据信号

然后这个数据的切换在这张图上

没有像我那样打箭头

但是从示意图你看出来它跟谁对齐了

它是跟时钟沿对齐了 对不对

然后我们每一个数据的菱形

这个六边形的切换的前沿

都跟这个时钟信号的第奇数个沿对齐

然后时钟信号的第偶数个沿

都切在这个六边形块的正中间

也就是说在这个位置

适合用来查看数据的值

这是不是信息啊

然后片选信号在前面远远的地方

变成了一个下降沿

但它并没有跟下面的时钟和数据发生关联

也就是说这个数据

是在时钟的驱动下开始工作的

是不是这都是信息

如果大家看的再仔细

你会发现这个数据的块块里是有字的

它是MSB在前面

还是LSB在前面呢

你去看它第一块写的是D0还是写的是D7

最后一个块是写的D7还是写的是D0

是不是这都是信息

再比方我们的时钟

我们的时钟在这张图里

平时是高电平还是低电平

第一个沿是由低变高还是由高变低

这是个时钟的极性

那么这些信息我们看完了

自己要有个概念和归纳

再看这张表

这张表有很多电子学的特性

但是我们只看它的第一项

就能找到我们要的信息是什么呢

是我们的minimum的这个Cycle time

就是时钟周期的最小值 是多少

是100个纳秒

那么100个纳秒意味着什么

时钟周期的最小值

也就上面这个时钟信号由高变低

再由低变高

再由高变低这样一个周期

最少最少不得比100纳秒更短

那就意味着频率

不能比100纳秒分之一更高 对不对

也就是说我们这个SPI接口做通讯的时候

速率不能超过10兆

大家想明白了吗

这些信息加起来是什么

是上节课最后

我要大家写那个Init函数的时候

你那三个两比特的配置信息该怎么写

你的波特率寄存器的时钟该怎么设

大家想明白了吗

来我们对到这张图里看

我们看看我们相位CPHA

相位为1这样一种时钟模式

它是不是能跟我们刚才看到

这个时序图能对应起来啊

我们把我们的

微控制器芯片手册里的图放在上面

把我们要通讯的SPI的

这个液晶屏的手册的图放在下面

两者一比

大家看看我们的时钟的极性

是不是应该设成1

变成由一变零的这种负极性的时钟啊

我们的相位CPHA是不是应该设为1

使用这样一种相位模式啊

不由片选信号驱动通讯

而由第一个时钟沿使通讯开始 对吧

然后我们的LSBFE应该设成零 对不对

我们的数据是D7在前 D0在后

这个跟液晶屏的芯片手册

应该一致 对不对

然后我们片选信号并不直接驱动通信

所以可以持续为低

在我们的液晶屏的电路上

它就接地了直接

这是不是都是关联的

那么这些事情关联了

特别这几个比特的值

应该为1为0确定了

是不是我们对于那个SPIx的那个

Command C1控制寄存器

后面那几个比特应该赋什么值

心里就清楚了

我们这个通讯如果这么写

再加上刚才说的那个波特率

不能大于10兆

我们要分频

要分到一个小于10兆

我们保守一点比如分到5兆

是不是我们通讯

就确保能够通讯起来

给屏幕写的东西就是对的

这是我要给大家讲的第一个关键点

第二个关键点呢

就是这个代码如何实现

我们如何配置引脚的时钟打开

如何配置引脚给SPI用

如何配置SPI工作在正确的状态和相位

还有波特率下

刚才基本都讲了

这个代码我会打包放在网上大家也能看到

我就不一句一句的讲了

大家也可以在这里仔细的看

那么我们怎么来写我们的SPI通讯的函数

实际上在这个上一节课的最后单元

我给大家提示了

SPI的通讯是双向的

我们应该是一个Read and Write函数

带一个字节的参数

有一个字节的返回值

那么就像我们现在代码里头

实现的红色部分

我们每次应该查询读取状态寄存器

check这个发送位是否置位

前一次通讯是否发送完

发送寄存器是否为空

当它为空的时候

我们向它写入一个新的数据

开始一次新的通讯

那么这个通讯SPI

就会自动开始一个比特一个比特发

这是要花一段时间的

所以我们应该持续的查询

接收寄存器的那一位是否置位

那一位置位既表示发送结束了

也表示那个8个Clock走完

接收到了一个新的字节

然后我们再从数据寄存器读一次

此时读到的不是刚才写的值

而是从电路上接收到的字节 对不对

这是一个SPI的完整的读写控制

红色的代码部分的具体实现

也是上节课给大家思考题

那么放到我们这个液晶屏里头

我们其实因为还有一个DC的这个IO引脚

我们对他置0或者置1

分别代表告诉我们的液晶屏

此时给你写的是一个字节的命令

还是一个字节的屏幕显示的值

所以我们在前面各加了一句话

把它封装成两个独立的函数

对液晶屏写一个命令

或者对液晶屏写一个数据

写一个像素值

而我们的液晶屏其实是单向通讯的

我们的MISO对这个主机的输入引脚

其实是没有接的

所以我们从程序的完整性上读了这个字节

为了保证这个SPI模块正确的工作

但实际上这个读回来的字节值

我们是扔掉的

并没有保留和返回

使用了void的返回值

这都是可以理解的

所以大家根据自己编程的目标

灵活的修改

你所写出来的函数

从它的原型 到它的代码实现

要恰如其分的描述你要的那个功能

大家还是记住C语言这句话

函数就是function

function也是功能

把这些概念给打清楚

这是我要给大家说的第二个点

那么如果我们实现了第二个点

我们能写入一系列的命令

我们上电启动流程呢

这一大段代码其实没有什么秘诀

芯片手册告诉我们这个屏幕要正常工作

要有一系列的配置指令

依次写入这些值

这些芯片这个液晶屏

就能进入一个基本的正常工作状态

所以我们依次让reset引脚由高变低

持续一段时间再由低变高

然后依次写入这些命令完成初始化

这个是完全按照芯片手册来

没有什么特殊的

那么第三个点是什么呢

第三个点是我们对于OLED的点阵屏

写入的数据

如何与我们看到的显示内容发生关联

我们究竟如何对它编程

来控制我们要显示内容

这是大家很关心的对吧

我们这个显示屏虽然小

分辨率其实不算太低

它是128乘以64的点阵

它是一个黑白的OLED

所以在屏幕上显示的值就是0或者1

这样两个状态

所以一个比特对应一个像素非常好理解

那么整个屏幕的信息

我考考大家是多少个比特呢

那就128乘以64个比特 对不对

那么我们对于这样一个屏幕

进行编程的时候 为了提高效率

这个屏幕在设计的时候

以纵向排列的8个比特构成一个读写单元

也就是一个字节

所以纵向的一列一列这么排下来128个条

就构成了八行128列的像素

是由若干128个字节的依次写入

可以实现控制的

我们写入的每一个字节

对应这下面这一绺的8个像素点

每一个比特的1或者0

对应着一个像素点的亮或者灭

我们就能控制这一个像素点上

显示的是什么内容

所以大家算一算

一共有128乘以64个比特的像素点

要被控制和显示

我们显示这样一整个屏幕

需要多少个字节呢

其实是128乘以64再除以8 对吧

一共1024个字节

就能够完成整个屏幕上的读写

所以我们一个字节一个字节的读写

从左上角写到右下角

大家脑袋想一想

就要读写1024次

1024个字节

如果更有心的同学

你后面还可以算一算

我如果用一个5兆

或者是不超过10兆SPI接口

来依次向一个屏幕写入这些值

我从左上角写到右下角

把整个屏幕刷一遍

最少要多少时间呢

你可以算一算 对吧

那么这是一个概念

另外一个概念

我们这么一个个的像素

如何使屏幕上看到我们想要的

那些丰富的多彩的图案和功能呢

这是一个很好的问题

我们把这样一绺像素的八个点拿下来

看成了一个条

那么这八个点我可以给它一个字节

这一个字节的比特7最高位

对应最下面那个点

比特0最低位对应最上面那个点

所以每个字节对应一条八个点

当我连续写入8个字节的时候

是不是我就控制了屏幕上

8乘以8这样一个小方块的

一个区域显示的内容

所以曾老师给大家的例程

包括大家以后在网上

找这种点阵屏的显示例程

都会有一个数组

或者有一个单元我们称为字模

里头存的都是一些神奇的字符串

0X00 0X08 0Xxx等等这么下来

然后在我这个数组后面

我标识一系列特征的字符

那么它怎么来控制我们在屏幕上的显示呢

如果我们看我们右边的代码

我们可以通过两个控制指令

指定当前把坐标移到屏幕上

虚拟看不见的坐标

移到屏幕上

第几行第几列的位置开始写入数据

然后接着我们可以连续

不再有控制命令的向屏幕

写入一系列的字符

一系列的字节

来完成一个区域的更新

而我们到了第几行第几列

来更新这个区域的时候

写入我们这样一个字库的这样一个数据串

这个串它怎么构成我们要的字符

我举个例子

比如说我们在屏幕上要看到字母A

我们去看看我们这个字库表里头的这个串

我们会发现第一行

第一个字符是0X00

第二个字符是0X80

第三个字符拆成二进制是0b1100 0000

那么我们看我们A这个字母

第一列是不是全是空白的

第二列全是空白

最下面一个点是红的

第三列全是空白

最下面两个点是红的

你如果有耐心把我们每一个数组里头

这个数对应写成二进制

你会发现它就是我们这一列一列的像素点

所以这是笨办法

我们用一系列的字符数组

记录了人类所想看到的

每一个字符的形状存在数组里

然后让我们的程序

依次把它绘制到屏幕上我们就看到了A

类似的我们可以看到桃心儿 对吧

那么有很多同学说

这个桃心儿看上不像桃心儿啊

这个A看上去很丑啊

同学请你把屏幕暂停后退五步

再来看这个字符

或者看一看

我现在显示的这个小字符

你会发现这字母看上去挺好看的

这就是8乘8的字库

那么实际上

我们当然可以生成不同的字符

乃至中文的字库对应不同的字体

这都是可以做的

如何提取字符 字模 字体

这是一个更加专业的领域

大家可以通过计算机的编程

从现有的字库里提取

然后也有一些很有意思的网上的小工具

可以帮你生成这样一个

直接生成这种C语言的数组也是有的

那么大家领会的是这么一种概念

所以我们通过编程对应这个SPI的接口

在屏幕上指定到任意坐标

连续输入八个字节的信息

控制屏幕上8乘8的矩阵

每一个点是亮是灭

就完成了一个字符的显示

而这些事情毫不夸张的讲

完成在电光火石之间

所以我们就看到屏幕上多了一个字

如果我们对于屏幕整体的刷新

大家刚才说过

我说过让大家算一算对不对

都能控制在微秒 毫秒量级完成刷新

我们周而复始

我们就可以看到屏幕上有清晰的画面

有连续的动画

有我们想要的任何效果

这就完成了对于这样一个屏幕

最最基础的控制

所以我给出了一些参考的代码

大家可以非常容易的实现

在屏幕任意坐标显示字符

这样一个功能

但它是不够的

我希望大家第一融会贯通SPI通讯

学会使用这样一个屏幕

能够在这门课

这样一个最最好玩的内容里

把这个屏幕灵活的用起来

但是更重要的是

往下接着编程领会我刚才讲的

这两三个方面的关键知识 函数的封装

芯片手册的阅读

自己独立的去编程实现这样一个接口

然后把这样一个屏幕玩起来

做一个小游戏

或者做个小应用

实现你想要的那个设计

那么有些高阶段的同学

我在这里给大家拓展一个脑洞部分

屏幕有了

128乘64我们怎么把它用好呢

从刚才问的那几个问题开始

128乘以64的点阵

需要多少个比特来存储啊

我们刚才说过需要128乘以64个比特

那它是多少个字节呢

我们说它是1024个字节

那么这样1024个字节

我是每次算出来屏幕上要显示什么内容

还是把它用一个数据结构存储起来合适呢

那我用什么数据结构

有很多同学想象那我生成一个数组呗

1024个元的unsigned char数组

1024个字节

那有了这个数组

我从数组的第一个元到最后一个元

从左上角刷新到右下角

是不是就更新了一个屏幕的全屏的内容呢

那我在固定的时钟

比如8兆或者5兆下你能不能算一算

你更新一屏的内容要多长时间呢

那么这个更新这个屏幕的内容

这个时间快不快 慢不慢

跟你测一测

算的 跟你算的一不一样

测一测跟你算的一不一样

它够不够快

够不够视觉暂留够不够你用来刷一个

速度很快的游戏 对吧

然后第二呢

我们如果做了一个更复杂的程序

一方面要不停的改变显示的内容

一方面要保证这个显示的内容

持续的稳定的更新到屏幕上

怎么让这个程序不打架写的漂亮呢

然后有的同学会说我用for循环里头

再弄一个循环专门用来定期

每次循环去刷一下屏幕

还有的同学说不对

更好的方法跟音乐一样

我把它放在一个时钟中断里头

每隔比如说20毫秒 10毫秒

我就刷一次屏幕

我算了 刷完这一次屏幕

从左上角到右下角只用5毫秒

所以在时钟中断里肯定能够完成

这都是好主意大家可以试一试

然后我怎么让这样一个

前台对于显示内容的不断更新

和后台对于显示内容的不断的

往屏幕上读写这两个事情不冲突呢

有了中断这个机制

我是不是还得有

刚才提到这个数组这个机制

这个数组开一个占掉一K字节

我能够开多于一个吗

比如说我乒乓一下

一个数组在前面算一个数组就往后面显示

来回切换

那么如果大家有了这些思想的雏形

我就不再把脑洞继续展开了

大家可以理解我们真正在

有操作系统或者没有操作系统

高性能的一些游戏或者是应用上

Frame buffer是什么机制

然后在对于这些数组

我能不能再进一步封装一些独特的函数

在坐标上画点画线

或者根据一个巨大的屏幕

我这一次只更新了其中一个部分的显示

比如一个大的背景图里

只有一个局部发生了变化

我能不能只更新这个局部呢

那么这样就会产生图形引擎的概念

大家就可以尝试

那么在我们过去的大作业

这些同学里很多同学非常聪明

他没有做图形引擎

他做了类似的思想

他把曾老师给的代码往屏幕上显示字符

灵活的使用

举个简单例子

比如说有同学

做了一个天上掉金币去接的小游戏

他实际上的做法

在这里告诉大家

是不断的在屏幕随机的位置显示金币

而下一次这个金币往下掉一个坐标

算出来以后

它只更新上一次坐标位置显示一个空格

把这个金币抹掉

在新的位置显示金币

所以它每次更新的量并不是刷整个屏幕

而是刷若干个局部点

速度就会快很多

类似这样的想法希望大家脑洞大开

做出自己更有意思的应用

把这样一个好玩的屏幕用起来

跟我们前面的按键 音乐

以及以后的各种物理量的测量

关联起来

做出自己有意思的应用