联盛德 HLK-W806 (四): 软件SPI和硬件SPI驱动ST7735液晶LCD

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ST7735介绍

ST7735是用于驱动最大162x132像素的TFT驱动芯片, 396(128*3色)x162线输出, 可以直接以SPI协议, 或者8位/9位/16位并行连接外部控制器.
显示数据可以存储在片内的132 x 162 x 18 bits内存中, 显示内存的读写不需要外部时钟驱动.

使用ST7735的128x160 TFT LCD模块

连接

ST7735的LCD模块有128x128, 128x160等不同分辨率, 对外的接线除了VCC和GND外有6根

  • SCL SPI时钟, 对应上位机SPI的SCK
  • SDA SPI数据输入, 对应上位机SPI的MOSI
  • RES 重启, 低电平有效, 工作时处于高电平
  • DC 命令模式和数据模式切换位, 低电平为命令模式, 高电平为数据模式
  • CS 片选信号, 对应上位机SPI的CS
  • BL 背光, 高电平亮, 低电平灭

如果使用软件SPI, IO口可以随便选择, 如果是硬件SPI, 其中的CS, SCK, MOSI 和 MISO(ST7735未使用)只能使用特定的IO口, 根据W806的手册有以下可选项

  • CS: B4, B14
  • SCK: B1, B2, B15, B24
  • MOSI: B5, B17, B26, PA7
  • MISO: B0, B3, B16, B25

对应本测试的连接方式为

  • B10 -> RES, RESET
  • B11 -> DC, CD
  • B14 -> CS, Chip Select
  • B15 -> SCK, SCL, CLK, Clock
  • B16 -> BL, Back Light
  • B17 -> MOSI, SDA
  • GND -> GND
  • 3.3V -> VCC

ST7735的控制

ST7735的控制分普通IO部分和命令/数据传输部分

  • 普通IO部分为外围控制相关的接口, 包括 BL背光, RES重置复位, DC命令数据模式切换
  • 命令和数据传输部分为显示控制相关的接口, 有8080并口模式和SPI串口模式, 其中并口还可以区分为8位/9位/16位传输, 因为手里这个模块是串口的, 所以只测试了串口模式. 以下为SPI串口模式的说明

软件SPI方式

软件SPI方式需要初始化全部IO, 都使用GPIO_MODE_OUTPUT+GPIO_NOPULL方式

void ST7735_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIO_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_CS_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_CS_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_SCK_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_SCK_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_MOSI_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_MOSI_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_BL_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_BL_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_RES_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_RES_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_DC_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_DC_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

对应的传输实现

static void ST7735_TransmitByte(uint8_t dat)
{
    uint8_t i;
    ST7735_CS_LOW;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        ST7735_SCK_LOW;
        if (dat & 0x80)
        {
            ST7735_MOSI_HIGH;
        }
        else
        {
            ST7735_MOSI_LOW;
        }
        ST7735_SCK_HIGH;
        dat <<= 1;
    }
    ST7735_CS_HIGH;
}

硬件SPI方式

硬件SPI方式只需要初始化IO接口部分

void ST7735_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIO_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_BL_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_BL_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_RES_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_RES_PORT, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.Pin = ST7735_DC_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(ST7735_DC_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

数据传输直接调用SDK提供的SPI传输方法

static void ST7735_TransmitByte(uint8_t dat)
{
    ST7735_CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&hspi, &dat, 1, 100);
    ST7735_CS_HIGH;
}

使用BUFFER提升刷新速度

在硬件SPI下, 因为接口实现是以批量数据为基础的, 批量写入数据比按单字节或双字节写入效率要高得多, 在代码中可以申请一小段内存增加buffer, 在绘制中通过buffer去调用SPI, 可以充分利用硬件SPI的传输速度.

声明buffer区

static uint8_t st7735_buf[ST7735_BUF_SIZE];
static uint16_t st7735_buf_pt = 0;

写入buffer和清空buffer

static void ST7735_WriteBuff(uint8_t* buff, size_t buff_size)
{
    while (buff_size--)
    {
        st7735_buf[st7735_buf_pt++] = *buff++;
        if (st7735_buf_pt == ST7735_BUF_SIZE)
        {
            ST7735_Transmit(st7735_buf, st7735_buf_pt, HAL_MAX_DELAY);
            st7735_buf_pt = 0;
        }
    }
}

static void ST7735_FlushBuff(void)
{
    if (st7735_buf_pt > 0)
    {
        ST7735_Transmit(st7735_buf, st7735_buf_pt, HAL_MAX_DELAY);
        st7735_buf_pt = 0;
    }
}

在区域填充中使用buffer

void ST7735_Fill(uint16_t x_start, uint16_t y_start, uint16_t x_end, uint16_t y_end, uint16_t color)
{
    uint16_t i,j;
    ST7735_SetAddrWindow(x_start, y_start, x_end - 1, y_end - 1);
    for(i = y_start; i < y_end; i++)
    {
        for( j = x_start; j < x_end; j++)
        {
            ST7735_WriteBuff((uint8_t *)&color, 2);
        }
    }
    ST7735_FlushBuff();
}

字体的绘制和代码结构

这里只说英文字体, 中文字体也是一样的原理, 但是中文字体的规模要大得多. 在LCD显示中, 字体在数据中也是存储的点阵, 所以对应不同font和不同size, 实际上要准备不同的字库, 每个字库在代码中是一个数组, 数组中每个元素代表了字符在其中一行(或者一行的一部分)点阵.

  • 数组结构有两种类型, 一种是uint16_t, 一个变量对应的就是点阵的一行, 因此字体最大宽度是16像素, 另一种是不管字体多宽都用uint8_t, 一个变量对应点阵的一行或者一行的一部分, 因此字体的最大宽度不限.
  • 数值顺序也有两种类型, 一种是按位从高到低对应像素从左到右, 另一种是按位从低到高对应像素从左到右, 在使用字库时需要区别, 否则无法正常显示

字体的代码结构

很多网上的代码例子, 将字库放在.h头文件中, 因为字库本身是一个大数组, 因此放在头文件中只能在调用的最外层include, 不能多处使用, 否则编译会包变量重复定义错误. 建议使用的字库结构为: 在.c文件中定义字库, 在.h文件中将其声明为extern, 这样就可以多处调用了. 例如:

fonts.h 中声明字体类型

typedef struct {
    const uint8_t width;
    const uint8_t height;
    const uint8_t order;
    const uint8_t *data;
} FontDef;

extern FontDef Font_6x12;

font.c 中定义

#include "st7735_fonts.h"

static const uint8_t Font6x12 [] = {
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, /*" ",0*/
0x00,0x00,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00,0x00,0x04,0x00,0x00, /*"!",1*/
0x14,0x14,0x0A,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, /*""",2*/
...
};

测试代码

控制背光

ST7735_BackLight_On();
ST7735_BackLight_Off();

填充色块

ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_RED);

输出字符

ST7735_DrawString(5, y, (const char *)"0123456789ABCDE", Font_6x12, ST7735_YELLOW, ST7735_RED);

输出图片

ST7735_DrawImage(0, 0, 128, 160, (uint16_t *)testimage1);

在主程序中引用st7735.h并初始化就可以调用了

main.c

#include 
#include "wm_hal.h"
#include "st7735.h"
#include "testimg2.h"

void Error_Handler(void);

SPI_HandleTypeDef hspi;

static void SPI_Init(void)
{
    hspi.Instance = SPI;
    hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;
    hspi.Init.FirstByte = SPI_LITTLEENDIAN;

    if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

int main(void)
{
    uint8_t y = 10;
    SystemClock_Config(CPU_CLK_240M);
    ST7735_GPIO_Init();
    SPI_Init();
    ST7735_Init();
    while(1)
    {
        ST7735_BackLight_On();
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_RED);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_YELLOW);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_GREEN);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_CYAN);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_MAGENTA);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_ORANGE);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_BROWN);
        HAL_Delay(500);
        ST7735_Fill(0, 0, ST7735_WIDTH, ST7735_HEIGHT, ST7735_BLUE);
        HAL_Delay(500);
        y = 10;
        ST7735_DrawString(5, y, (const char *)"0123456789ABCDE", Font_6x12, ST7735_YELLOW, ST7735_RED);
        HAL_Delay(1000);

        ST7735_DrawImage(0, 0, 128, 160, (uint16_t *)testimage1);
        HAL_Delay(1000);
        ST7735_DrawImage(0, 0, 128, 160, (uint16_t *)testimage2);
        HAL_Delay(1000);
        ST7735_BackLight_Off();
        HAL_Delay(1000);
    }
}

另外需要在wm_hal_msp.c中增加SPI的初始化方法

wm_hal_msp.c

void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* hspi)
{
    __HAL_RCC_SPI_CLK_ENABLE();
    __HAL_AFIO_REMAP_SPI_CS(ST7735_CS_PORT, ST7735_CS_PIN);
    __HAL_AFIO_REMAP_SPI_CLK(ST7735_SCK_PORT, ST7735_SCK_PIN);
    __HAL_AFIO_REMAP_SPI_MOSI(ST7735_MOSI_PORT, ST7735_MOSI_PIN);
}

void HAL_SPI_MspDeInit(SPI_HandleTypeDef* hspi)
{
    __HAL_RCC_SPI_CLK_DISABLE();
    HAL_GPIO_DeInit(ST7735_CS_PORT, ST7735_CS_PIN);
    HAL_GPIO_DeInit(ST7735_SCK_PORT, ST7735_SCK_PIN);
    HAL_GPIO_DeInit(ST7735_MOSI_PORT, ST7735_MOSI_PIN);
}

测试数据

在128x160的LCD中, 通过以下代码在主进程中测试两幅128x160图片无间断循环刷新

for (uint16_t i = 0; i < 1000; i++)
{
    ST7735_DrawImage(0, 0, 128, 160, (uint16_t *)testimage1);
    ST7735_DrawImage(0, 0, 128, 160, (uint16_t *)testimage2);
}
printf("done");

记录得到的结果为

[2021-11-28 08:06:33.267]
RX：done
[2021-11-28 08:07:12.256]
RX：done
[2021-11-28 08:07:51.232]
RX：done
[2021-11-28 08:08:30.204]
RX：done
[2021-11-28 08:09:09.181]
RX：done
[2021-11-28 08:09:48.166]
RX：done
[2021-11-28 08:10:27.145]
RX：done
[2021-11-28 08:11:06.113]
RX：done
[2021-11-28 08:11:45.145]
RX：done
[2021-11-28 08:12:24.073]
RX：done

可以看到间隔基本上在39秒左右, 根据这个结果计算得全屏刷新率为 2000/39 = 51.2 FPS

相关代码

以上的代码位于Github: wm-sdk-w806/tree/dev/demo/spi/st7735_lcd

CircuitRadioMobileEmbedW806ST7735

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