一個單片機驅動 LCD 的編程思路

單片機驅動 LCD 的方法有很多，網絡上也有很多配套的例程，但是，網上例程千千萬，誰是你的 “no.1”。

今天給大家分享一個以面向對象的方式用單片機驅動 LCD 的思路。

LCD 種類概述

在討論怎麼寫 LCD 驅動之前，我們先大概瞭解一下嵌入式常用 LCD。概述一些跟驅動架構設計有關的概念，在此不對原理和細節做深入討論，會有專門文章介紹，或者參考網絡文檔。

TFT lcd

TFT LCD，也就是我們常說的彩屏。通常像素較高，例如常見的 2.8 寸，320x240 像素。4.0 寸的，像素 800x400。這些屏通常使用並口，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。其他例如手機上使用的有 MIPI 接口。

總之，接口種類很多。也有一些支持 SPI 接口的。除非是比較小的屏幕，否則不建議使用 SPI 接口，速度慢，刷屏閃屏。 玩 STM32 常用的 TFT lcd 屏幕驅動 IC 通常有：ILI9341/ILI9325 等。

tft lcd：

IPS：

COG lcd

很多人可能不知道 COG LCD 是什麼，我覺得跟現在開發板銷售方向有關係，大家都出大屏，玩酷炫界面，對於更深的技術，例如軟件架構設計，都不涉及。使用單片機的產品，COG LCD 其實佔比非常大。COG 是 Chip On Glass 的縮寫，就是驅動芯片直接綁定在玻璃上，透明的。 實物像下圖：

這種 LCD 通常像素不高，常用的有 128X64，128X32。一般只支持黑白顯示，也有灰度屏。

接口通常是 SPI，I2C。也有號稱支持 8 位並口的，不過基本不會用，3 根 IO 能解決的問題，沒必要用 8 根吧？常用的驅動 IC：STR7565。

OLED lcd

買過開發板的應該基本用過。新技術，大家都感覺高檔，在手環等產品常用。OLED 目前屏幕較小，大一點的都很貴。在控制上跟 COG LCD 類似，區別是兩者的顯示方式不一樣。從我們程序角度來看，最大的差別就是，OLED LCD，不用控制背光。。。。。實物如下圖：

常見的是 SPI 跟 I2C 接口。常見驅動 IC：SSD1615。

硬件場景

接下來的討論，都基於以下硬件信息：

1、有一個 TFT 屏幕，接在硬件的 FSMC 接口，什麼型號屏幕？不知道。

2、有一個 COG lcd，接在幾根普通 IO 口上，驅動 IC 是 STR7565，128X32 像素。

3、有一個 COG LCD，接在硬件 SPI3 跟幾根 IO 口上，驅動 IC 是 STR7565，128x64 像素。

4、有一個 OLED LCD，接在 SPI3 上，使用 CS2 控制片選，驅動 IC 是 SSD1315。

預備知識

在進入討論之前，我們先大概說一下下面幾個概念，對於這些概念，如果你想深入瞭解，請 GOOGLE。

面向對象

面向對象，是編程界的一個概念。什麼叫面向對象呢？編程有兩種要素：程序（方法），數據（屬性）。例如：一個 LED，我們可以點亮或者熄滅它，這叫方法。LED 什麼狀態？亮還是滅？這就是屬性。我們通常這樣編程：

u8 ledsta = 0;
void ledset(u8 sta)
{
}

這樣的編程有一個問題，假如我們有 10 個這樣的 LED，怎麼寫？這時我們可以引入面向對象編程，將每一個 LED 封裝爲一個對象。可以這樣做：

/*
定義一個結構體，將LED這個對象的屬性跟方法封裝。
這個結構體就是一個對象。
但是這個不是一個真實的存在，而是一個對象的抽象。
*/
typedef struct{
    u8 sta;
    void (*setsta)(u8 sta);
}LedObj;

/*  聲明一個LED對象，名稱叫做LED1，並且實現它的方法drv_led1_setsta*/
void drv_led1_setsta(u8 sta)
{
}

LedObj LED1={
        .sta = 0,
        .setsta = drv_led1_setsta,
    };

/*  聲明一個LED對象，名稱叫做LED2，並且實現它的方法drv_led2_setsta*/
void drv_led2_setsta(u8 sta)
{
}

LedObj LED2={
        .sta = 0,
        .setsta = drv_led2_setsta,
    };
    
/*  操作LED的函數，參數指定哪個led*/
void ledset(LedObj *led, u8 sta)
{
    led->setsta(sta);
}

是的，在 C 語言中，實現面向對象的手段就是結構體的使用。上面的代碼，對於 API 來說，就很友好了。操作所有 LED，使用同一個接口，只需告訴接口哪個 LED。大家想想，前面說的 LCD 硬件場景。4 個 LCD，如果不面向對象，「顯示漢字的接口是不是要實現 4 個」？每個屏幕一個？

驅動與設備分離

如果要深入瞭解驅動與設備分離，請看 LINUX 驅動的書籍。

什麼是設備？我認爲的設備就是 「屬性」，就是 「參數」，就是 「驅動程序要用到的數據和硬件接口信息」。那麼驅動就是 「控制這些數據和接口的代碼過程」。

通常來說，如果 LCD 的驅動 IC 相同，就用相同的驅動。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驅動。例如一個 COG lcd:

驅動 IC 是 STR7565 128 * 64 像素用 SPI3 背光用 PF5 , 命令線用 PF4 , 復位腳用 PF3

上面所有的信息綜合，就是一個設備。驅動就是 STR7565 的驅動代碼。

爲什麼要驅動跟設備分離，因爲要解決下面問題：

有一個新產品，收銀設備。系統有兩個 LCD，都是 OLED，驅動 IC 相同，但是一個是 128x64，另一個是 128x32 像素，一個叫做主顯示，收銀員用；一個叫顧顯，顧客看金額。

這個問題，「兩個設備用同一套程序控制」 纔是最好的解決辦法。驅動與設備分離的手段：

在驅動程序接口函數的參數中增加設備參數，驅動用到的所有資源從設備參數傳入。

驅動如何跟設備綁定呢？通過設備的驅動 IC 型號。

模塊化

我認爲模塊化就是將一段程序封裝，提供穩定的接口給不同的驅動使用。不模塊化就是，在不同的驅動中都實現這段程序。例如字庫處理，在顯示漢字的時候，我們要找點陣，在打印機打印漢字的時候，我們也要找點陣，你覺得程序要怎麼寫？把點陣處理做成一個模塊，就是模塊化。非模塊化的典型特徵就是**「一根線串到底，沒有任何層次感」**。

LCD 到底是什麼

前面我們說了面向對象，現在要對 LCD 進行抽象，得出一個對象，就需要知道 LCD 到底是什麼。問自己下面幾個問題：

LCD 能做什麼？
要 LCD 做什麼？
誰想要 LCD 做什麼？

剛剛接觸嵌入式的朋友可能不是很瞭解，可能會想不通。我們模擬一下 LCD 的功能操作數據流。APP 想要在 LCD 上顯示一個漢字。

1、首先，需要一個顯示漢字的接口，APP 調用這個接口就可以顯示漢字，假設接口叫做 lcd_display_hz。

2、漢字從哪來？從點陣字庫來，所以在 lcd_display_hz 函數內就要調用一個叫做 find_font 的函數獲取點陣。

3、獲取點陣後要將點陣顯示到 LCD 上，那麼我們調用一個 ILL9341_dis 的接口，將點陣刷新到驅動 IC 型號爲 ILI9341 的 LCD 上。

4、ILI9341_dis 怎麼將點陣顯示上去？調用一個 8080_WRITE 的接口。

好的，這個就是大概過程，我們從這個過程去抽象 LCD 功能接口。漢字跟 LCD 對象有關嗎？無關。在 LCD 眼裏，無論漢字還是圖片，都是一個個點。那麼前面問題的答案就是：

LCD 可以一個點一個點顯示內容。
要 LCD 顯示漢字或圖片 ----- 就是顯示一堆點
APP 想要 LCD 顯示圖片或文字。

結論就是：所有 LCD 對象的功能就是顯示點。「那麼驅動只要提供顯示點的接口就可以了，顯示一個點，顯示一片點。」 抽象接口如下：

/*
    LCD驅動定義
*/
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，也就是對應的驅動，包含了一個驅動 id 號。

id，驅動型號
初始化
畫點
將一片區域的點顯示某種顏色
將一片區域的點顯示某些顏色
顯示開關
準備刷新區域（主要彩屏直接 DMA 刷屏使用）
設置掃描方向
背光控制

顯示字符，劃線等功能，不屬於 LCD 驅動。應該歸類到 GUI 層。

LCD 驅動框架

我們設計瞭如下的驅動框架：

設計思路：

1、中間顯示驅動 IC 驅動程序提供統一接口，接口形式如前面說的_lcd_drv 結構體。

2、各顯示 IC 驅動根據設備參數，調用不同的接口驅動。例如 TFT 就用 8080 驅動，其他的都用 SPI 驅動。SPI 驅動只有一份，用 IO 口控制的我們也做成模擬 SPI。

3、LCD 驅動層做 LCD 管理，例如完成 TFT LCD 的識別。並且將所有 LCD 接口封裝爲一套接口。

4、簡易 GUI 層封裝了一些顯示函數，例如劃線、字符顯示。

5、字體點陣模塊提供點陣獲取與處理接口。

由於實際沒那麼複雜，在例程中我們將 GUI 跟 LCD 驅動層放到一起。TFT LCD 的兩個驅動也放到一個文件，但是邏輯是分開的。OLED 除初始化，其他接口跟 COG LCD 基本一樣，因此這兩個驅動也放在一個文件。

代碼分析

代碼分三層：

1、GUI 和 LCD 驅動層 dev_lcd.c dev_lcd.h

2、顯示驅動 IC 層 dev_str7565.c & dev_str7565.h dev_ILI9341.c & dev_ILI9341.h

3、接口層 mcu_spi.c & mcu_spi.h stm324xg_eval_fsmc_sram.c & stm324xg_eval_fsmc_sram.h

GUI 和 LCD 層

這層主要有 3 個功能：

「1、設備管理」

首先定義了一堆 LCD 參數結構體，結構體包含 ID，像素。並且把這些結構體組合到一個 list 數組內。

/*  各種LCD的規格參數*/
_lcd_pra LCD_IIL9341 ={
        .id   = 0x9341,
        .width = 240,   //LCD 寬度
        .height = 320,  //LCD 高度
};
...
/*各種LCD列表*/
_lcd_pra *LcdPraList[5]=
            {
                &LCD_IIL9341,       
                &LCD_IIL9325,
                &LCD_R61408,
                &LCD_Cog12864,
                &LCD_Oled12864,
            };

然後定義了所有驅動 list 數組，數組內容就是驅動，在對應的驅動文件內實現。

/*  所有驅動列表
    驅動列表*/
_lcd_drv *LcdDrvList[] = {
                    &TftLcdILI9341Drv,
                    &TftLcdILI9325Drv,
                    &CogLcdST7565Drv,
                    &OledLcdSSD1615rv,

定義了設備樹，即是定義了系統有多少個 LCD，接在哪個接口，什麼驅動 IC。如果是一個完整系統，可以做成一個類似 LINUX 的設備樹。

/*設備樹定義*/
#define DEV_LCD_C 3//系統存在3個LCD設備
LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
    {"oledlcd", LCD_BUS_VSPI, 0X1315},
    {"coglcd", LCD_BUS_SPI,  0X7565},
    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};

「2 、接口封裝」

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)

大部分接口都是對驅動 IC 接口的二次封裝。有區別的是初始化和打開接口。初始化，就是根據前面定義的設備樹，尋找對應驅動，找到對應設備參數，並完成設備初始化。打開函數，根據傳入的設備名稱，查找設備，找到後返回設備句柄，後續的操作全部需要這個設備句柄。

「3 、簡易 GUI 層」

目前最重要就是顯示字符函數。

s32 dev_lcd_put_string(DevLcd *lcd, FontType font, int x, int y, char *s, unsigned colidx)

其他劃線畫圓的函數目前只是測試，後續會完善。

驅動 IC 層

驅動 IC 層分兩部分：

「1 、封裝 LCD 接口」

LCD 有使用 8080 總線的，有使用 SPI 總線的，有使用 VSPI 總線的。這些總線的函數由單獨文件實現。但是，除了這些通信信號外，LCD 還會有復位信號，命令數據線信號，背光信號等。我們通過函數封裝，將這些信號跟通信接口一起封裝爲**「LCD 通信總線」**，也就是 buslcd。BUS_8080 在 dev_ILI9341.c 文件中封裝。BUS_LCD1 和 BUS_lcd2 在 dev_str7565.c 中封裝。

「2 驅動實現」

實現_lcd_drv 驅動結構體。每個驅動都實現一個，某些驅動可以共用函數。

_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
                            };

接口層

8080 層比較簡單，用的是官方接口。SPI 接口提供下面操作函數，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);

至於 SPI 爲什麼這樣寫，會有一個單獨文件說明。

總體流程

前面說的幾個模塊時如何聯繫在一起的呢？請看下面結構體：

/*  初始化的時候會根據設備數定義，
    並且匹配驅動跟參數，並初始化變量。
    打開的時候只是獲取了一個指針 */
struct _strDevLcd
{
    s32 gd;//句柄，控制是否可以打開

    LcdObj   *dev;
    /* LCD參數，固定，不可變*/
    _lcd_pra *pra;

    /* LCD驅動 */
    _lcd_drv *drv;

    /*驅動需要的變量*/
    u8  dir;    //橫屏還是豎屏控制：0，豎屏；1，橫屏。
    u8  scandir;//掃描方向
    u16 width;  //LCD 寬度
    u16 height; //LCD 高度

    void *pri;//私有數據，黑白屏跟OLED屏在初始化的時候會開闢顯存
};

每一個設備都會有一個這樣的結構體，這個結構體在初始化 LCD 時初始化。

成員 dev 指向設備樹，從這個成員可以知道設備名稱，掛在哪個 LCD 總線，設備 ID。

typedef struct
{
    char *name;//設備名字
    LcdBusType bus;//掛在那條LCD總線上
    u16 id;
}LcdObj;

成員 pra 指向 LCD 參數，可以知道 LCD 的規格。

typedef struct
{
    u16 id;
    u16 width;  //LCD 寬度  豎屏
    u16 height; //LCD 高度    豎屏
}_lcd_pra;

成員 drv 指向驅動，所有操作通過 drv 實現。

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;

成員 dir、scandir、 width、 height 是驅動要使用的通用變量。因爲每個 LCD 都有一個結構體，一套驅動程序就能控制多個設備而互不干擾。
成員 pri 是一個私有指針，某些驅動可能需要有些比較特殊的變量，就全部用這個指針記錄，通常這個指針指向一個結構體，結構體由驅動定義，並且在設備初始化時申請變量空間。目前主要用於 COG LCD 跟 OLED LCD 顯示緩存。

整個 LCD 驅動，就通過這個結構體組合在一起。

1、初始化，根據設備樹，找到驅動跟參數，然後初始化上面說的結構體。

2、要使用 LCD 前，調用 dev_lcd_open 函數。打開成功就返回一個上面的結構體指針。

3、顯示字符，接口找到點陣後，通過上面結構體的 drv，調用對應的驅動程序。

4、驅動程序根據這個結構體，決定操作哪個 LCD 總線，並且使用這個結構體的變量。

用法和好處

好處 1

請看測試程序

void dev_lcd_test(void)
{
    DevLcd *LcdCog;
    DevLcd *LcdOled;
    DevLcd *LcdTft;

    /*  打開三個設備 */
    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");

    /*打開背光*/
    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, "這是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, "這是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, "這是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);
}

使用一個函數 dev_lcd_open，可以打開 3 個 LCD，獲取 LCD 設備。然後調用 dev_lcd_put_string 就可以在不同的 LCD 上顯示。其他所有的 gui 操作接口都只有一個。這樣的設計對於 APP 層來說，就很友好。顯示效果：

好處 2

現在的設備樹是這樣定義的

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，只需要將設備樹數組裏面的參數改一下，就可以了，當然，在一個接口上不能接兩個設備。

LcdObj LcdObjList[DEV_LCD_C]=
{
    {"oledlcd", LCD_BUS_SPI, 0X1315},
    {"tftlcd", LCD_BUS_8080, NULL},
};

字庫

暫時不做細說，例程的字庫放在 SD 卡中，各位移植的時候根據需要修改。具體參考 font.c。

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