行業(yè)動態(tài)
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隨著電子產(chǎn)品的不斷更新，各種顯示界面的開發(fā)越來越多，由于TFT彩屏的性價(jià)比高，因而被廣泛用在各種電子設(shè)備上作為顯示屏。目前驅(qū)動TFT彩屏的方案有很多，可以用底端單片機(jī)驅(qū)動一個(gè)終端類型的液晶模組，這種模組價(jià)格比較貴，當(dāng)然用起來還是很方便的。
只要單片機(jī)通過串口或并行口向TFT發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的命令，就能在屏幕上顯示你需要的效果。本設(shè)計(jì)利用STM32 的FSMC 總線直接驅(qū)動TFT 數(shù)字彩屏。這種方案對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置后就可以自動向TFT數(shù)字彩屏發(fā)送數(shù)據(jù)，無需CPU參與，讓CPU有足夠時(shí)間來處理其他程序。
1 STM32 簡介
STM32 是基于ARM 內(nèi)核Cortex-M3 的32 位微控制器系列。Cortex-M3內(nèi)核是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，具有突出的能效比和處理速度。通過采用Thumb-2 高密度指令集，Cortex-M3 內(nèi)核降低了系統(tǒng)存儲要求，同時(shí)快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計(jì)的STM32 系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價(jià)比，面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用于工業(yè)控制、智能家電、建筑安防、醫(yī)療設(shè)備以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。STM32系列采用一種新型的存儲器擴(kuò)展技術(shù)---FSMC,在外部存儲器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴(kuò)展。
2 TFT彩屏模塊工作原理
本設(shè)計(jì)采用3.2 寸分辨率為320×240 的液晶屏，并使用ILI9341芯片控制液晶屏。
液晶屏的控制芯片電路非常復(fù)雜。GRAM 中一個(gè)存儲單元對應(yīng)顯示屏的一個(gè)像素點(diǎn)。芯片內(nèi)部有電路把GRAM存儲單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶屏的控制信號，使每個(gè)點(diǎn)呈現(xiàn)特定的亮度和顏色，而這些點(diǎn)組合起來則成為顯示界面。ILI9341 里有主要配置引腳和控制信號線，可以根據(jù)它的設(shè)置使芯片工作在不同的模式；使用8080 接口或SPI接口與MCU 進(jìn)行通信；使用8080 接口的什么模式。MUC通過SPI或8080接口與ILI9341進(jìn)行通信，從而訪問它的地址計(jì)數(shù)器（AC）、控制寄存器（CR）、GRAM及一個(gè)LED控制器。LCD本身不會發(fā)光，它需要借助背光源才實(shí)現(xiàn)顯示功能，LED控制器就是用來控制液晶屏模塊中發(fā)光二級管的背光源。LI9341使用8080通信時(shí)序工作，ILI9341的8080接口有5條控制信號線：寫使能信號線WRX,讀使能信號線RDX,復(fù)位信號線RESX,片選信號線CSX,區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令信號線D/CX.除了控制信號，還有數(shù)據(jù)信號線。
3 總體方案的硬件設(shè)計(jì)
本文以STM32F103VE 芯片的FSMC接口連接RGB接口數(shù)字屏，并利用DMA 從片外FLASH 讀取顯示數(shù)據(jù)。DMA即直接內(nèi)存存取，CPU只需配置DMA相關(guān)的寄存器后，DMA 控制器就會自動將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址傳送到另外一個(gè)地址，不占用CPU 時(shí)間。本文采用STM32F103VE 芯片外部連接FLASH 用作顯存，其整體硬件方案如圖1所示。
由于圖片的數(shù)據(jù)太大需要外接FLASH存儲器用來存儲圖片數(shù)據(jù)，電路如圖2 所示。
本設(shè)計(jì)使用的AT25DF041A芯片是一個(gè)串行接口的閃存設(shè)備，靈活的架構(gòu)AT25DF041A擦掉、消除粒度小至4 KB,使它非常適合數(shù)據(jù)存儲，不再需要額外數(shù)據(jù)存儲E2PROM設(shè)備。
4 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的軟件主要有硬件層配置和顯示驅(qū)動函數(shù)。硬件層配置主要是對STM32 的I/O 口的輸入/輸出和FSMC 相關(guān)的寄存器配置。顯示驅(qū)動函數(shù)主要是向TFT彩屏發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)，另外還有一些簡單的畫圖函數(shù)。
4.1 FSMC簡介
FSMC是靈活靜態(tài)存儲控制器。STM32芯片可利用FSMC 控制NOR FLASH、PSRAM 和NAND FLASH 存儲芯片[3].這里，只使用FSMC 的NOR/PSRAM 模式控制LCD,所以只需分析NOR FLASH 控制信號線部分。
STM32 尋址空間的地址映射中的0×60000000 ~0x6FFFFFFF 是分配給PSRAM、NOR FLASH 這類可直接尋址的器件。當(dāng)外部接了NOR FLASH,并且FSMC外設(shè)被設(shè)置為正常工作，當(dāng)向0×60000000 地址寫入數(shù)據(jù)0xFFFF,FSMC會自動把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成各信號線上相應(yīng)的電平信號寫入數(shù)據(jù)。
4.2 用FSMC模擬8080時(shí)序
FSMC寫NOR 時(shí)序跟8080接口的時(shí)序是十分相似的，對它們的信號線對比如表1所示。
為了模擬出8080 時(shí)序，把FSMC 地址線中的A0 連接8080的DCX,當(dāng)A0為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線D[15:0]的信號會被理解為ILI9341命令，若A0為高電平時(shí)，傳輸?shù)男盘杽t會被理解為數(shù)據(jù)。所以傳送數(shù)據(jù)時(shí)只需向地址為0x6xxxxxx1,0x6xxxxxx3,0x6xxxxxx5 這些奇數(shù)地址寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)地址線A0（D/CX）會為高電平；需要發(fā)送命令時(shí)向0x6xxxxxx0,0x6xxxxxx2,0x6xxxxxx4 這些偶數(shù)地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，地址線A0（D/CX）會為低電平，這個(gè)數(shù)據(jù)會被理解為命令。在代碼中利用指針變量，向不同的地址單元寫入數(shù)據(jù)，就能夠由FSMC 模擬出8080 接口向ILI9341寫入控制命令或GRAM的數(shù)據(jù)了。
4.3 部分代碼設(shè)計(jì)
（1）初始化液晶屏
初始化液晶屏是對液晶控制器ILI9341 用到的I/O口、FSMC 接口進(jìn)行初始化，并且向該控制器寫入了命令參數(shù)，配置好LCD液晶屏的基本功能。除了復(fù)位、背光用的PD11和PD0設(shè)置為通用推挽輸出外，其他的與FSMC 接口相關(guān)的控制信號、地址信號、數(shù)據(jù)信號的端口全部設(shè)置為復(fù)用推挽輸出。代碼如下：
（2）初始化FSMC模式
LCD_Init（）函數(shù)調(diào)用LCD_FSMC_Config（）設(shè)置FSMC的模式使它模擬出8080接口，函數(shù)主要作用是設(shè)置各個(gè)信號的產(chǎn)生時(shí)間，使FSMC接口的時(shí)序與8080接口匹配。LCD_FSMC_Config（）設(shè)置FSMC模式的代碼如下：
以上主要使用FSMC_NORSRAMInitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體和FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體對FSMC 進(jìn)行配置。第一種類型結(jié)構(gòu)體主要配置存儲器類型，數(shù)據(jù)寬度等用于NOR FLASH 的模式配置；另一種類型結(jié)構(gòu)體用于配置FSMC 的NOR FLASH模式下讀/寫時(shí)序中的地址建立時(shí)間、地址保持時(shí)間等。
（3）FSMC模擬8080讀/寫參數(shù)、命令
初始化完成FSMC 接口后，就可以使用FSMC 向ILI9341發(fā)送數(shù)據(jù)了。在LCD_Ini（t ）中調(diào)用Lcd_init_conf（）函數(shù)向ILI9341寫入一系列的控制參數(shù)：
限于篇幅，以上只是該函數(shù)其中的一部分，省略部分的代碼只是寫入的參數(shù)和命令有些不一樣，這些命令和參數(shù)設(shè)置了像素點(diǎn)顏色格式、屏幕掃描方式、橫屏/豎屏等初始化配置，可以從ILI9341的datasheet命令列表中查到這些命令的意義。函數(shù)LCD_ILI9341_CMD（）的作用是寫入命令，函數(shù)LCD_ILI9341_Parameter（）的作用是寫入命令參數(shù)。
5 結(jié)語
本文對基于STM32的TFT液晶顯示模塊的驅(qū)動方法進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件能對顯示控制芯片ILI9341進(jìn)行有效的控制，所有程序均在STM32系列的軟件編譯環(huán)境下調(diào)試通過。經(jīng)實(shí)際證明，本方案是可行的，能保證320×240 點(diǎn)陣的TFT 刷新率，且留有足夠CPU時(shí)間給用戶程序。其硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方式靈活、對于其他型號的接口芯片也有參考價(jià)值。
只要單片機(jī)通過串口或并行口向TFT發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的命令，就能在屏幕上顯示你需要的效果。本設(shè)計(jì)利用STM32 的FSMC 總線直接驅(qū)動TFT 數(shù)字彩屏。這種方案對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置后就可以自動向TFT數(shù)字彩屏發(fā)送數(shù)據(jù)，無需CPU參與，讓CPU有足夠時(shí)間來處理其他程序。
1 STM32 簡介
STM32 是基于ARM 內(nèi)核Cortex-M3 的32 位微控制器系列。Cortex-M3內(nèi)核是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，具有突出的能效比和處理速度。通過采用Thumb-2 高密度指令集，Cortex-M3 內(nèi)核降低了系統(tǒng)存儲要求，同時(shí)快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計(jì)的STM32 系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價(jià)比，面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用于工業(yè)控制、智能家電、建筑安防、醫(yī)療設(shè)備以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。STM32系列采用一種新型的存儲器擴(kuò)展技術(shù)---FSMC,在外部存儲器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴(kuò)展。
2 TFT彩屏模塊工作原理
本設(shè)計(jì)采用3.2 寸分辨率為320×240 的液晶屏，并使用ILI9341芯片控制液晶屏。
液晶屏的控制芯片電路非常復(fù)雜。GRAM 中一個(gè)存儲單元對應(yīng)顯示屏的一個(gè)像素點(diǎn)。芯片內(nèi)部有電路把GRAM存儲單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶屏的控制信號，使每個(gè)點(diǎn)呈現(xiàn)特定的亮度和顏色，而這些點(diǎn)組合起來則成為顯示界面。ILI9341 里有主要配置引腳和控制信號線，可以根據(jù)它的設(shè)置使芯片工作在不同的模式；使用8080 接口或SPI接口與MCU 進(jìn)行通信；使用8080 接口的什么模式。MUC通過SPI或8080接口與ILI9341進(jìn)行通信，從而訪問它的地址計(jì)數(shù)器（AC）、控制寄存器（CR）、GRAM及一個(gè)LED控制器。LCD本身不會發(fā)光，它需要借助背光源才實(shí)現(xiàn)顯示功能，LED控制器就是用來控制液晶屏模塊中發(fā)光二級管的背光源。LI9341使用8080通信時(shí)序工作，ILI9341的8080接口有5條控制信號線：寫使能信號線WRX,讀使能信號線RDX,復(fù)位信號線RESX,片選信號線CSX,區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令信號線D/CX.除了控制信號，還有數(shù)據(jù)信號線。
3 總體方案的硬件設(shè)計(jì)
本文以STM32F103VE 芯片的FSMC接口連接RGB接口數(shù)字屏，并利用DMA 從片外FLASH 讀取顯示數(shù)據(jù)。DMA即直接內(nèi)存存取，CPU只需配置DMA相關(guān)的寄存器后，DMA 控制器就會自動將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址傳送到另外一個(gè)地址，不占用CPU 時(shí)間。本文采用STM32F103VE 芯片外部連接FLASH 用作顯存，其整體硬件方案如圖1所示。
由于圖片的數(shù)據(jù)太大需要外接FLASH存儲器用來存儲圖片數(shù)據(jù)，電路如圖2 所示。
本設(shè)計(jì)使用的AT25DF041A芯片是一個(gè)串行接口的閃存設(shè)備，靈活的架構(gòu)AT25DF041A擦掉、消除粒度小至4 KB,使它非常適合數(shù)據(jù)存儲，不再需要額外數(shù)據(jù)存儲E2PROM設(shè)備。
4 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的軟件主要有硬件層配置和顯示驅(qū)動函數(shù)。硬件層配置主要是對STM32 的I/O 口的輸入/輸出和FSMC 相關(guān)的寄存器配置。顯示驅(qū)動函數(shù)主要是向TFT彩屏發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)，另外還有一些簡單的畫圖函數(shù)。
4.1 FSMC簡介
FSMC是靈活靜態(tài)存儲控制器。STM32芯片可利用FSMC 控制NOR FLASH、PSRAM 和NAND FLASH 存儲芯片[3].這里，只使用FSMC 的NOR/PSRAM 模式控制LCD,所以只需分析NOR FLASH 控制信號線部分。
STM32 尋址空間的地址映射中的0×60000000 ~0x6FFFFFFF 是分配給PSRAM、NOR FLASH 這類可直接尋址的器件。當(dāng)外部接了NOR FLASH,并且FSMC外設(shè)被設(shè)置為正常工作，當(dāng)向0×60000000 地址寫入數(shù)據(jù)0xFFFF,FSMC會自動把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成各信號線上相應(yīng)的電平信號寫入數(shù)據(jù)。
4.2 用FSMC模擬8080時(shí)序
FSMC寫NOR 時(shí)序跟8080接口的時(shí)序是十分相似的，對它們的信號線對比如表1所示。
為了模擬出8080 時(shí)序，把FSMC 地址線中的A0 連接8080的DCX,當(dāng)A0為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線D[15:0]的信號會被理解為ILI9341命令，若A0為高電平時(shí)，傳輸?shù)男盘杽t會被理解為數(shù)據(jù)。所以傳送數(shù)據(jù)時(shí)只需向地址為0x6xxxxxx1,0x6xxxxxx3,0x6xxxxxx5 這些奇數(shù)地址寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)地址線A0（D/CX）會為高電平；需要發(fā)送命令時(shí)向0x6xxxxxx0,0x6xxxxxx2,0x6xxxxxx4 這些偶數(shù)地址寫入數(shù)據(jù)時(shí)，地址線A0（D/CX）會為低電平，這個(gè)數(shù)據(jù)會被理解為命令。在代碼中利用指針變量，向不同的地址單元寫入數(shù)據(jù)，就能夠由FSMC 模擬出8080 接口向ILI9341寫入控制命令或GRAM的數(shù)據(jù)了。
4.3 部分代碼設(shè)計(jì)
（1）初始化液晶屏
初始化液晶屏是對液晶控制器ILI9341 用到的I/O口、FSMC 接口進(jìn)行初始化，并且向該控制器寫入了命令參數(shù)，配置好LCD液晶屏的基本功能。除了復(fù)位、背光用的PD11和PD0設(shè)置為通用推挽輸出外，其他的與FSMC 接口相關(guān)的控制信號、地址信號、數(shù)據(jù)信號的端口全部設(shè)置為復(fù)用推挽輸出。代碼如下：
（2）初始化FSMC模式
LCD_Init（）函數(shù)調(diào)用LCD_FSMC_Config（）設(shè)置FSMC的模式使它模擬出8080接口，函數(shù)主要作用是設(shè)置各個(gè)信號的產(chǎn)生時(shí)間，使FSMC接口的時(shí)序與8080接口匹配。LCD_FSMC_Config（）設(shè)置FSMC模式的代碼如下：
以上主要使用FSMC_NORSRAMInitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體和FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體對FSMC 進(jìn)行配置。第一種類型結(jié)構(gòu)體主要配置存儲器類型，數(shù)據(jù)寬度等用于NOR FLASH 的模式配置；另一種類型結(jié)構(gòu)體用于配置FSMC 的NOR FLASH模式下讀/寫時(shí)序中的地址建立時(shí)間、地址保持時(shí)間等。
（3）FSMC模擬8080讀/寫參數(shù)、命令
初始化完成FSMC 接口后，就可以使用FSMC 向ILI9341發(fā)送數(shù)據(jù)了。在LCD_Ini（t ）中調(diào)用Lcd_init_conf（）函數(shù)向ILI9341寫入一系列的控制參數(shù)：
限于篇幅，以上只是該函數(shù)其中的一部分，省略部分的代碼只是寫入的參數(shù)和命令有些不一樣，這些命令和參數(shù)設(shè)置了像素點(diǎn)顏色格式、屏幕掃描方式、橫屏/豎屏等初始化配置，可以從ILI9341的datasheet命令列表中查到這些命令的意義。函數(shù)LCD_ILI9341_CMD（）的作用是寫入命令，函數(shù)LCD_ILI9341_Parameter（）的作用是寫入命令參數(shù)。
5 結(jié)語
本文對基于STM32的TFT液晶顯示模塊的驅(qū)動方法進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件能對顯示控制芯片ILI9341進(jìn)行有效的控制，所有程序均在STM32系列的軟件編譯環(huán)境下調(diào)試通過。經(jīng)實(shí)際證明，本方案是可行的，能保證320×240 點(diǎn)陣的TFT 刷新率，且留有足夠CPU時(shí)間給用戶程序。其硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方式靈活、對于其他型號的接口芯片也有參考價(jià)值。