「正点原子NANO STM32开发板资料连载第二十五章 TFTLCD 显示实验

1）实验平台：alientek NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十五章 TFTLCD 显示实验
前几章的实例均没有涉及到液晶显示，这一章我们将向大家介绍 1.3 寸 TFTLCD 显示屏模块。该显示屏不像 OLED 模块只能显示单色/双色，不能显示彩色，而这款 TFTLCD 可以显示16 位色的真彩图片，同时在上一章中学习了 SPI，在本章中，我们将通过 SPI 来驱动点亮 TFTLCD显示屏，并实现 ASCII 字符（12/16/24/32 号字体）、图片和彩色显示等功能，本章将分为如下
几个部分进行讲解：
25.1 TFTLCD 介绍
25.2 硬件设计
25.3 实验准备
25.4 实验验证
25.1 TFTLCD 简介
TFT-LCD 即薄膜晶体液晶显示器。其英文全称为：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。TFT-LCD 与无源 TN-LCD、STN-LCD 的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个像素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD 也被叫做真彩液晶显示器。
1.3’TFTLCD 模块主要有以下特点：
1、屏幕尺寸为 1.3 寸
2、分辨率为：240*240
3、支持 16 位真彩色显示
这里要提醒大家的是，该模块不和 5.0V 接口兼容，所以请大家在使用的时候一定要小心，别直接接到 5V 的系统上去，否则可能烧坏模块。该模块的外观图如图 25.1.1 所示：

ATK-1.3’TFTLCD 模块通过 8（2*4）个引脚同外部连接，对外接口原理图如图 25.1.2 所示：

对应引脚功能详细描述如表 25.1.3 所示：

特别注意：模块出厂是默认选择四线 SPI，例子是使用四线 SPI 进行通信的。
ATK-1.3’TFTLCD 在四线 SPI 通讯模式下 ，最少需要四线就可以 与 LCD 通讯：
CS/SCL/SDA/WR(DC)，该模块出厂默认使用四线 SPI 通讯，也就是默认焊接 R7 和 R10 电阻。
四线 SPI 接口时序如图 25.1.4 所示：

图中各个时间参数见表 25.1.5 所示：

从表中可以看出，模块的写周期是非常快的，写周期为：16ns，而模块的读周期相对较慢，
读周期为：150ns。
LCD 四线 SPI 的详细读写时序，请看 ST7789V2 数据手册第 56 页和 60 页。
模块采用 ST7789V2 作为 LCD 驱动器，显示数据可以直接存储在 240*320*18 位片上的
RAM 中，它可以在没用外部操作时钟的情况下执行显示数据 RAM 读/写操作，以最小化功耗。
该驱动芯片采用 SPI 接口与外部连接，需要使用的信号线如下：
CS：LCD 的片选信号线
SCK：SPI 的时钟信号线
SDA：SPI 的数据信号线
WR(RC)：命令/数据标志（0：写命令：1：写数据）
除了以上信号，我们一般还需要用到这 2 个信号：RESET 和 PWR，其中：RST 是 LCD 的
硬复位脚，低电平有效，用于复位 ST7789V2 芯片，实现液晶的复位，在每次初始化之前，我
们强烈建议大家先执行硬复位，再做初始化。而 PWR 则是 LCD 的背光控制引脚，高电平有效，
这个引脚自带了下拉电阻，所以如果这个引脚悬空，背光是不会亮的。必须接高电平背光才会
亮，另外可以用 PWM 控制 PWR 脚，从而控制背光的亮度。
ST7789V2 自带 LCD RAM（240*320*3 字节），并且最高支持 18 位颜色深度（262K 色），
不过我们一般使用 16 位颜色深度（65K 色），RGB565 格式，这样可以在 16 位模式下达到最
快的速度。在 16 位模式下，ST7789V2 采用 RGB565 格式存储颜色数据，此时 MCU 的 16 位数
据与 LCD RAM 的对应关系如图 25.1.6 所示：

图示 MCU 的 16 位数据中，最低 5 位代表蓝色，中间 6 位绿色，最高 5 位为红色，数值越
大，表示该颜色越深。
接下来，就来介绍一下 ST7789V2 的几条重要指令，因为该芯片的命令有很多，我们这里
就不全部介绍了，有兴趣的可以找数据手册看看，里面对命令有详细介绍。
首先来看一下指令：0x36，这是存储访问控制指令，可以控制 ST7789V2 存储器的读写方
向，简单的来说，就是在连续写 LCD RAM 数据的时候，可以控制 RAM 指针的增长方向，从
而控制显示方式（读操作也是一样）。该指令如图 26.1.7 所示：

从上图可以看出。0x36 指令下可以配置 6 个参数，这里我们主要关心：MY、MX 和 MV
这 3 位，通过这三个位的设置，我们可以控制整个 ST7789V2 的全部扫描方向。如表 26.1.8 所
示：

这样，我们在使用 ST7789V2 显示内容的时候，就有很大灵活性了，比如显示 BMP 图片，
BMP 数码数据，就是丛图片的左下角开始，慢慢显示到右上角，如果设置 LCD 扫描方式（默
认）下面，该指令用于设置横坐标（x 坐标），该指令如图 26.1.9 所示：

这里指令用于 x 坐标，x 坐标有两个坐标值：XS 和 XE（XS 和 XE 都是 16 位的，由 2 个 8
位组成），即列地址的起始值和结束值，当“MV=0”时，0 0 一般 TFTLCD 模块的使用流程如图 26.1.10 所示：

图 26.1.10 TFTLCD 使用流程

任何 LCD，使用流程都可以简单的用以上流程图表示。其中硬复位和初始化序列，只需要
执行一次即可。而画点流程就是：坐标->写 GRAM 指令->写入颜色数据，然后在 LCD 上面，
我们就可以看到对应的点显示我们写入的颜色了。读点流程为：设置坐标->读 GRAM 指令->
读取颜色数据，这样就可以获取对应的颜色数据了。
25.2 硬件设计
本实验功能简介：开机时先初始化 LCD，然后开始显示正点原子 LOGO，12/16/24/32 号字
体等信息，同时使用 LED 灯来指示程序正在运行。
本章需要用到的硬件资源如下：
1、指示灯 LED
2、1.3’TFTLCD 模块
3、NANO STM32F4 开发板
ATK-1.3’TFFLCD 模块与 NANO STM32F4 开发板对应的关系如下：


25.3 软件设计
本实验我们使用四线 SPI 来驱动 ATK-1.3’TFTLCD 模块，所以我们通过 WR（DC）信号线
来控制是发送命令还是发送数据到 LCD。代码如下所示：
/**
* @brief
写命令到 LCD
*
* @param
cmd
需要发送的命令
*
* @Return void
*/
static void LCD_Write_Cmd(u8 cmd)
{
LCD_WR = 0;
LCD_SPI_Send(&cmd, 1);
}
/**
* @brief
写数据到 LCD
*
* @param
cmd
需要发送的数据
*
* @return void
*/
static void LCD_Write_Data(u8 data)
{
LCD_WR = 1;
LCD_SPI_Send(&data, 1);
}
LCD 的 SPI 通讯时序大家可以通过 ST7789V2 数据手册进行学习，这里就不多介绍了。
下面我们来重点关注一下上面我们提到的 0x36 指令（存储访问控制指令，即 RAM 指针增
长方向），这里只粘贴了部分代码。
/* Memory Data Access Control */
LCD_Write_Cmd(0x36);
LCD_Write_Data(0x00);
从以上代码可以看到，LCD 的 RAM 指令增长方向被设置成了从左到右，从上到下的方式，
这个方式决定了字库取模方式和图片显示等问题。如果方向设置的好，我们只需要将字库和图
片数据不停的往 LCD 填充就好了，就可以大大提高显示速度。
下面我们就来看看画点函数，该函数的实现代码如下：
/**
* 设置数据写入 LCD 缓存区域
*
* @param
x1,y1
起点坐标
* @param
x2,y2
终点坐标
*
* @return void
*/
void LCD_Address_Set(u16 x1, u16 y1, u16 x2, u16 y2)
{
LCD_Write_Cmd(0x2a);
LCD_Write_Data(x1 >> 8);
LCD_Write_Data(x1);
LCD_Write_Data(x2 >> 8);
LCD_Write_Data(x2);
LCD_Write_Cmd(0x2b);
LCD_Write_Data(y1 >> 8);
LCD_Write_Data(y1);
LCD_Write_Data(y2 >> 8);
LCD_Write_Data(y2);
LCD_Write_Cmd(0x2C);
}
/**
* @brief
写半个字的数据到 LCD
*
* @param
cmd
需要发送的数据
*
* @return void
*/
void LCD_Write_HalfWord(const u16 da)
{
u8 data[2] = {0};
data[0] = da >> 8;
data[1] = da;
LCD_WR = 1;
LCD_SPI_Send(data, 2);
}
/**
* 画点函数
*
* @param
x,y
画点坐标
*
* @return void
*/
void LCD_Draw_Point(u16 x, u16 y)
{
LCD_Address_Set(x, y, x, y);
LCD_Write_HalfWord(POINT_COLOR);
}
该函数实现比较简单，就是先设置了坐标，然后往坐标写颜色数据。其中 POINT_COLOR
是我们定义的一个全局变量，用于存放画笔颜色，顺便介绍一下另外一个全局变量
BACK_COLOR，该变量代表 LCD 的背景颜色。LCD_Draw_Point 函数虽然简单，但是至关重
要，其他函数都可以调用这个函数实现。在例程源码中，为了提高显示速度，很少用到画点函
数来实现上层函数功能，因为画点函数的效率有点低。但是可以供到大家学习使用。
由于 ATK-1.3’TFTLCD 模块是 SPI 通讯接口的，在速度上肯定会比不上那些使用 8080 等
并口的 TFTLCD 显示屏，为了提高显示速度，增加了一个 LCD 缓存，以提高显示效果，这个
缓存会影响清屏函数 LCD_Clear、填充函数 LCD_Fill 和画线函数 LCD_DrawLine，修改缓存大
小时，请注意！！！
//LCD 缓存大小设置，修改此值时请注意！！！！修改这两个值时可能会影响以下函数
LCD_Clear/LCD_Fill/LCD_DrawLine
#define LCD_TOTAL_BUF_SIZE(240*240*2)
#define LCD_Buf_Size 1152
static u8 lcd_buf[LCD_Buf_Size];
最后就来看一下字符显示函数 LCD_ShowChar，该函数可以显示 12/16/24/32 号字体，如果
大家需要其他字体的话可以直接修改这个函数。特别要注意字符取模方向！
/**
* @brief
显示一个 ASCII 码字符
*
* @param
x,y
显示起始坐标
* @param
chr
需要显示的字符
* @param
size 字体大小(支持 16/24/32 号字体)
*
* @return void
*/
void LCD_ShowChar(u16 x, u16 y, char chr, u8 size)
{
u8 temp, t1, t;
u8 csize;
//得到字体一个字符对应点阵集所占的字节数
u16 colortemp;
u8 sta;
chr = chr - ' '; //得到偏移后的值（ASCII 字库是从空格开始取模，所以-' '就是对应字符
的字库）
if((x > (LCD_Width - size / 2)) || (y > (LCD_Height - size)))
return;
LCD_Address_Set(x, y, x + size / 2 - 1, y + size - 1);//(x,y,x+8-1,y+16-1)
if((size == 16) || (size == 32) )
//16 和 32 号字体
{
csize = (size / 8 + ((size % 8) ? 1 : 0)) * (size / 2);
for(t = 0; t < csize; t++)
{
if(size == 16)temp = asc2_1608[chr][t];//调用 1608 字体
else if(size == 32)temp = asc2_3216[chr][t]; //调用 3216 字体
else return;
//没有的字库
for(t1 = 0; t1 < 8; t1++)
{
if(temp & 0x80) colortemp = POINT_COLOR;
else colortemp = BACK_COLOR;
LCD_Write_HalfWord(colortemp);
temp <<= 1;
}
}
}
else if (size == 12)
//12 号字体
{
csize = (size / 8 + ((size % 8) ? 1 : 0)) * (size / 2);
for(t = 0; t < csize; t++)
{
temp = asc2_1206[chr][t];
for(t1 = 0; t1 < 6; t1++)
{
if(temp & 0x80) colortemp = POINT_COLOR;
else colortemp = BACK_COLOR;
LCD_Write_HalfWord(colortemp);
temp <<= 1;
}
}
}
else if(size == 24)
//24 号字体
{
csize = (size * 16) / 8;
for(t = 0; t < csize; t++)
{
temp = asc2_2412[chr][t];
if(t % 2 == 0)sta = 8;
else sta = 4;
for(t1 = 0; t1 < sta; t1++)
{
if(temp & 0x80) colortemp = POINT_COLOR;
else colortemp = BACK_COLOR;
LCD_Write_HalfWord(colortemp);
temp <<= 1;
}
}
}
}
关于 LCD 的驱动代码问题就讲到这里，我们的源码中还提供了画矩形、画圆、显示数字和
显示图片等等函数，大家可以直接对照源码进行学习。
25.4 下载验证
代码编译成功后，直接下载代码到我们的 NANO STM32F4 开发板上，然后将 ATK-1.3’
TFTLCD 模块连接到开发板上的引脚就可以测试模块的显示效果了。如图 25.4.1 所示：

图 25.4.1 LCD 显示效果