《DNK210使用指南 -SDK版 V1.0》第十六章 LCD显示实验

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第十六章 LCD显示实验

       本章将介绍初步介绍Kendryte K210使用官方SDK驱动的LCD。通过本章的学习，读者将学习到板载LCD的简单使用。
       本章分为如下几个小节：
       16.1 LCD模块介绍
       16.2 硬件设计
       16.3 程序设计
       16.4 运行验证

       16.1 LCD介绍
       DNK210板载一块2.4寸（此处的寸是代表英寸，下同）的TFT-LCD显示模块，显示分辨率为320*240，颜色数量高达262K。
       本章将介绍Kendryte K210使用8线SPI驱动开发板板载的2.4寸TFT-LCD显示屏。

       16.1.1 SPI简介
       SPI，Serial Peripheral interface，顾名思义，就是串行外围设备接口，是由原摩托罗拉公司在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI是一种高速的全双工、同步、串行的通信总线，已经广泛应用在众多MCU、存储芯片、AD转换器和LCD之间。
       SPI通信跟IIC通信一样，通信总线上允许挂载一个主设备和一个或者多个从设备。为了跟从设备进行通信，一个主设备至少需要4跟数据线，分别为：
       MOSI（Master Out / Slave In）：主数据输出，从数据输入，用于主机向从机发送数据。
       MISO（Master In / Slave Out）：主数据输入，从数据输出，用于从机向主机发送数据。
       SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生，决定通信的速率。
       CS（Chip Select）：从设备片选信号，由主设备产生，低电平时选中从设备。
       多从机SPI通信网络连接如下图所示。

图16.1.1.1 多从机SPI通信网络图

       从上图可以知道，MOSI、MISO、SCLK引脚连接SPI总线上每一个设备，如果CS引脚为低电平，则从设备只侦听主机并与主机通信。SPI主设备一次只能和一个从设备进行通信。如果主设备要和另外一个从设备通信，必须先终止和当前从设备通信，否则不能通信。
       SPI通信有4种不同的模式，不同的从机可能在出厂时就配置为某种模式，这是不能改变的。通信双方必须工作在同一模式下，才能正常进行通信，所以可以对主机的SPI模式进行配置。SPI通信模式是通过配置CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来选择的。
       CPOL，详称Clock Polarity，就是时钟极性，当主从机没有数据传输的时候即空闲状态，SCL线的电平状态，假如空闲状态是高电平，CPOL=1；若空闲状态时低电平，那么CPOL = 0。
       CPHA，详称Clock Phase，就是时钟相位，实质指的是数据的采样时刻。CPHA = 0表示数据的采样是从第1个边沿信号上即奇数边沿，具体是上升沿还是下降沿的问题，是由CPOL决定的。CPHA=1表示数据采样是从第2个边沿即偶数边沿。
       SPI的4种模式对比图，如下图所示。

图16.1.1.2 SPI的4种模式对比图

       模式0，CPOL=0，CPHA=0；空闲时，SCL处于低电平，数据采样在第1个边沿，即SCL由低电平到高电平的跳变，数据采样在上升沿，数据发送在下降沿。
       模式1，CPOL=0，CPHA=1；空闲时，SCL处于低电平，数据采样在第2个边沿，即SCL由高电平到低电平的跳变，数据采样在下升沿，数据发送在上降沿。
       模式2，CPOL=1，CPHA=0；空闲时，SCL处于高电平，数据采样在第1个边沿，即SCL由高电平到低电平的跳变，数据采样在下升沿，数据发送在上降沿。
       模式3，CPOL=1，CPHA=1；空闲时，SCL处于高电平，数据采样在第2个边沿，即SCL由低电平到高电平的跳变，数据采样在上升沿，数据发送在下降沿。
       Kendryte K210的SPI功能非常强大，最高支持8线全双工模式，串行外设接口有4组SPI接口，其中SPI0、SPI1、SPI3只能工作在MASTER模式，SPI2只能工作在SLAVE模式，他们有如下特性：
       1. 支持1/2/4/8线全双工模式
       2. SPI0、SPI1、SPI2可支持25MHz时钟
       3. SPI3最高可支持80MHz时钟
       4. 支持32位宽、32BYTE深的FIFO
       5. 独立屏蔽中断-主机冲突，发送FIFO溢出，发送FIFO空，接收FIFO满，接收FIFO下溢，接收FIFO溢出中断都可以被屏蔽独立
       6. 支持DMA功能
       7. 支持双沿的DDR传输模式
       我们选择使用SPI0外设接口，SPI时钟配置为15MHz，使用8线SPI模式，这使我们屏幕具有较快的刷新速度和显示效果，能够适用于摄像头显示、视频播放等场景。
       Kendryte K210官方SDK提供了多个操作SPI接口的函数，这里我们只讲述本实验用到的函数，这些函数介绍如下：

       1，spi_init函数
       该函数主要用于SPI的配置初始化，该函数原型及参数描述如下代码所示：

1. void spi_init(spi_device_num_t spi_num, spi_work_mode_t work_mode, spi_frame_format_t frame_format,size_t data_bit_length, uint32_t endian);
   
2. /* SPI配总线号配置参数 */
   
3. typedef enum _spi_device_num
   
4. {
   
5.     SPI_DEVICE_0,
   
6.     SPI_DEVICE_1,
   
7.     SPI_DEVICE_2,
   
8.     SPI_DEVICE_3,
   
9.     SPI_DEVICE_MAX,
   
10. } spi_device_num_t;
    
11. 
    
12. /* SPI工作模式配置参数 */
    
13. typedef enum _spi_work_mode
    
14. {
    
15.     SPI_WORK_MODE_0,
    
16.     SPI_WORK_MODE_1,
    
17.     SPI_WORK_MODE_2,
    
18.     SPI_WORK_MODE_3,
    
19. } spi_work_mode_t;
    
20. 
    
21. /* SPI帧格式配置参数 */
    
22. typedef enum _spi_frame_format
    
23. {
    
24.     SPI_FF_STANDARD,
    
25.     SPI_FF_DUAL,
    
26.     SPI_FF_QUAD,
    
27.     SPI_FF_OCTAL
    
28. } spi_frame_format_t;

复制代码

       该函数共有五个配置参数，第一个为总线号，第二个为SPI工作模式，第三个是配置帧格式，第四个为数据长度，第五个是选择大小端模式，大端模式配置为1，小端模式配置为0。我们依次配置为：设备0、SPI工作模式0、8线模式、数据长度为8、小端模式，关于大小端模式的内容，大家可自行百度了解。

       2，spi_set_clk_rate t函数
       该函数用于设置SPI总线时钟，如下代码所示：

1. uint32_t spi_set_clk_rate(spi_device_num_t spi_num, uint32_t spi_clk);

复制代码

       第一个参数是选择需要配置的总线号，第二个参数为设置的频率，我们配置SPI0时钟为15MHz即可。Kendryte K210的SPI0、SPI1、SPI2可支持25MHz时钟，SPI3支持80MHz时钟，这是在设备支持的理想情况下的最高时钟频率配置。但实际上我们要根据自己的设备情况而定，并不是越高越好。

       3，spi_init_non_standard函数
       该函数用来初始化SPI传输，该函数原型及参数描述如下所示：

1. void spi_init_non_standard(spi_device_num_t spi_num, uint32_t instruction_length, uint32_t address_length, uint32_t wait_cycles, spi_instruction_address_trans_mode_t instruction_address_trans_mode);
   
2. 
   
3. /* SPI数据传送模式配置参数 */
   
4. typedef enum _spi_instruction_address_trans_mode
   
5. {
   
6.     SPI_AITM_STANDARD,
   
7.     SPI_AITM_ADDR_STANDARD,
   
8.     SPI_AITM_AS_FRAME_FORMAT
   
9. } spi_instruction_address_trans_mode_t;

复制代码

       函数共有5个参数，分别配置SPI总线号、指令长度、数据长度、等待周期和传输模式，这里我们需要根据自己的需要配置不同的参数。

       4，spi_send_data_standard_dma函数
       该函数是SPI用DMA通道发送数据，该函数原型及参数描述如下所示：

1. void spi_send_data_standard_dma(dmac_channel_number_t channel_num, spi_device_num_t spi_num, spi_chip_select_t chip_select, const uint8_t *cmd_buff, size_t cmd_len, const uint8_t *tx_buff, size_t tx_len);
   
2. 
   
3. /* SPI数据传送模式配置参数 */
   
4. typedef enum _dmac_channel_number
   
5. {
   
6.     DMAC_CHANNEL0 = 0,
   
7.     DMAC_CHANNEL1 = 1,
   
8.     DMAC_CHANNEL2 = 2,
   
9.     DMAC_CHANNEL3 = 3,
   
10.     DMAC_CHANNEL4 = 4,
    
11.     DMAC_CHANNEL5 = 5,
    
12.     DMAC_CHANNEL_MAX
    
13. } dmac_channel_number_t;

复制代码

       通过DMA发送数据可以有效节省CPU的资源，得到更好的传输效果，函数共有7个参数，分别配置DMA通道号、SPI总线号、芯片片选引脚、传输的数据地址、数据长度和数据位宽。

       16.1.2 LCD模块介绍
       液晶显示器，即Liquid Crystal Display，利用了液晶导电后透光性可变的特性，配合显示器光源、彩色滤光片和电压控制等工艺，最终可以在液晶阵列上显示彩色的图像。目前液晶显示技术以TN、STN、TFT三种技术为主，TFT-LCD即采用了       TFT（Thin Film Transistor）技术的液晶显示器，也叫薄膜晶体管液晶显示器。
TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同的是，它在液晶显示屏的每一个象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式显示器具有很多优点：高响应度，高亮度，高对比度等等。TFT式屏幕的显示效果非常出色，广泛应用于手机屏幕、笔记本电脑和台式机显示器上。
       由于液晶本身不会发光，加上液晶本身的特性等原因，使得液晶屏的成像角受限，我们从屏幕的的一侧可能无法看清液晶的显示内容。液晶显示器的成像角的大小也是评估一个液晶显示器优劣的指标，目前，规格较好的液晶显示器成像角一般在120°~160°之间。

       16.2 硬件设计

       16.2.1 例程功能

       1. 使用lcd模块初始化LCD，在LCD上显示一段字符串，并不断更换背景颜色

       16.2.2 硬件资源

       1. LCD
              LCD_RD - IO34
              LCD_BL - IO35
              LCD_CS - IO36
              LCD_RST - IO37
              LCD_RS - IO38
              LCD_WR - IO39
              LCD_D0~LCD_D7 - SPI0_D0~SPI0_D7

       16.2.3 原理图
       本章实验内容，需要使用到板载的LCD显示屏，正点原子DNK210开发板上的LCD显示屏连接原理图，如下图所示：

图16.2.3.1 LCD显示屏连接原理图

       16.3 程序设计

       16.3.1 lcd驱动代码
       LCD驱动源码包括三个文件：lcd.c、lcd.h和lcdfont.h，因为涉及内容较多，我们只挑选部分讲解，我们先看lcd.h文件的内容。
       lcd.h主要就是一些管脚的宏定义和SPI配置的宏，还有RGB565颜色常量的定义，如下表所示：

表16.3.1.1 lcd模块提供的颜色常量

       lcd.h文件内容就介绍到这里了，接下来我们看lcd.c文件。

1. /**
   
2. * @brief       LCD初始化
   
3. * @param       无
   
4. * @retval      无
   
5. */
   
6. void lcd_init(void)
   
7. {
   
8.     uint8_t data;
   
9. 
   
10.     /* Initialize DCX pin */
    
11.     fpioa_set_function(LCD_DCX_PIN, FUNC_GPIOHS0 + LCD_DCX_GPIOHS_NUM);
    
12.     gpiohs_set_drive_mode(LCD_DCX_GPIOHS_NUM, GPIO_DM_OUTPUT);
    
13.     gpiohs_set_pin(LCD_DCX_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_HIGH);
    
14.    
    
15.     /* Initialize RESET pin */
    
16.     fpioa_set_function(LCD_RST_PIN, FUNC_GPIOHS0 + LCD_RST_GPIOHS_NUM);
    
17.     gpiohs_set_drive_mode(LCD_RST_GPIOHS_NUM, GPIO_DM_OUTPUT);
    
18.     gpiohs_set_pin(LCD_RST_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_HIGH);
    
19. 
    
20.     /* Initialize CSX pin */
    
21.     fpioa_set_function(LCD_CSX_PIN, FUNC_SPI0_SS0 + LCD_SPI_CS_NUM);
    
22. 
    
23.     /* Initialize WRX pin */
    
24.     fpioa_set_function(LCD_WRX_PIN, FUNC_SPI0_SCLK);
    
25. 
    
26.     /* Initialize SPI interface */
    
27.     spi_init(LCD_SPI, SPI_WORK_MODE_0, SPI_FF_OCTAL, 8, 0);
    
28.     spi_set_clk_rate(LCD_SPI, LCD_SPI_CLK_RATE);
    
29.    
    
30.     /* Hardware reset */
    
31.     gpiohs_set_pin(LCD_RST_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_LOW);
    
32.     msleep(50);
    
33.     gpiohs_set_pin(LCD_RST_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_HIGH);
    
34.     msleep(50);
    
35. 
    
36.     /* Software reset */
    
37.     lcd_write_command(0x01);
    
38.     msleep(50);
    
39. 
    
40.     /* Exit sleep */
    
41.     lcd_write_command(0x11);
    
42.     msleep(120);
    
43. 
    
44.     /* Set pixel format */
    
45.     lcd_write_command(0x3A);
    
46.     data = 0x55;
    
47.     lcd_write_data_8b(&data, 1);
    
48.     msleep(10);
    
49. 
    
50.     /* Set direction */
    
51.     lcd_write_command(0x36);
    
52.     data = 0xA0;
    
53.     lcd_write_data_8b(&data, 1);
    
54.    
    
55.     /* Inversion display */
    
56.     lcd_write_command(0x21);
    
57.     msleep(10);
    
58.    
    
59.     /* Display on */
    
60.     lcd_write_command(0x13);
    
61.     msleep(10);
    
62.     lcd_write_command(0x29);
    
63. 
    
64.     /* Clear display */
    
65.     lcd_clear(0xFFFF);
    
66. }

复制代码

       首先介绍的是lcd初始化函数，函数的内容是配置SPI相关引脚，然后初始化SPI，设置SPI时钟，最后是用指令配置LCD。
       DNK210板载的TFT-LCD显示器使用的是ST7789驱动IC芯片，详细的ST7789初始化寄存器对应功能的指令可以参考：ST7789_DS.pdf这个文档 ，存放路径是：A盘硬件资料液晶资料。

1. /**
   
2. * @brief       SPI写命令
   
3. * @param       cmd：7789指令
   
4. * @retval      无
   
5. */
   
6. static void lcd_write_command(uint8_t cmd)
   
7. {
   
8.     gpiohs_set_pin(LCD_DCX_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_LOW);
   
9.     spi_init(LCD_SPI, SPI_WORK_MODE_0, SPI_FF_OCTAL, 8, 0);
   
10.     spi_init_non_standard(LCD_SPI, 8, 0, 0, SPI_AITM_AS_FRAME_FORMAT);
    
11.     spi_send_data_normal_dma(LCD_SPI_DMA_CH, LCD_SPI, LCD_SPI_CS_NUM, &cmd, 1, SPI_TRANS_CHAR);
    
12. }

复制代码

       该函数用于写命令操作，我们先拉低RS引脚，选择命令，然后重新初始化SPI，这里我们需要配置为8位的发送指令模式。

1. /**
   
2. * @brief       SPI写数据（uint16_t类型）
   
3. * @param       dat ：数据地址
   
4. * @param       len ：数据长度
   
5. * @retval      无
   
6. */
   
7. static void lcd_write_data_16b(uint16_t *dat, uint32_t len)
   
8. {
   
9.     gpiohs_set_pin(LCD_DCX_GPIOHS_NUM, GPIO_PV_HIGH);
   
10.     spi_init(LCD_SPI, SPI_WORK_MODE_0, SPI_FF_OCTAL, 16, 0);
    
11.     spi_init_non_standard(LCD_SPI, 16, 0, 0, SPI_AITM_AS_FRAME_FORMAT);
    
12.     spi_send_data_normal_dma(LCD_SPI_DMA_CH, LCD_SPI, LCD_SPI_CS_NUM, dat, len, SPI_TRANS_SHORT);
    
13. }

复制代码

       该函数用于写数据（uint16_t类型），TFT-LCD是以RGB565的格式显示，每个像素点占16位bit，为了方便使用所以我们常用此函数来写数据，函数执行过程和写指令差不多，不同的是写指令要将SPI的RS引脚拉高，然后SPI初始化为16bit的数据宽度。

1. /**
   
2. * @brief       设置显示区域
   
3. * @param       x1,y1 ：起点坐标
   
4. * @param       x2,y2 ：终点坐标
   
5. * @retval      无
   
6. */
   
7. void lcd_set_area(uint16_t x1, uint16_t y1, uint16_t x2, uint16_t y2)
   
8. {
   
9.     uint8_t data[4] = {0};
   
10. 
    
11.     data[0] = (uint8_t)(x1 >> 8);
    
12.     data[1] = (uint8_t)(x1);
    
13.     data[2] = (uint8_t)(x2 >> 8);
    
14.     data[3] = (uint8_t)(x2);
    
15.     lcd_write_command(0x2A);
    
16.     lcd_write_data_8b(data, 4);
    
17. 
    
18.     data[0] = (uint8_t)(y1 >> 8);
    
19.     data[1] = (uint8_t)(y1);
    
20.     data[2] = (uint8_t)(y2 >> 8);
    
21.     data[3] = (uint8_t)(y2);
    
22.     lcd_write_command(0x2B);
    
23.     lcd_write_data_8b(data, 4);
    
24. 
    
25.     lcd_write_command(0x2C);
    
26. }

复制代码

       该函数作用类似于重新设置一个显示窗口，用于定位到要写数据的位置，0x2A和0x2B这两个指令用于配置列地址和行地址，通过这两个指令可以找到要写的内存地址，用0x2C指令可以启用内存写功能，后面用写数据函数即可将数据写入内存中。
       为防止篇幅过长，功能函数这里就不再叙述，因为底层操作都是基于上面讲述的几个函数，源码有详细的功能介绍和参数的作用，大家可以直接参考代码源码进行学习。
       lcdfont.h文件主要存放着LCD字符集点阵数组，用于LCD显示各种字符串，目前的例程仅支持16*16大小的字符显示，如需显示其他大小的字符可自行扩展。

       16.3.2 main.c代码
       main.c中的代码如下所示：

1. #define LCD_SPI_CLK_RATE 15000000
   
2. 
   
3. int main(void)
   
4. {
   
5.     uint8_t x = 0;
   
6. 
   
7.     sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL0, 800000000);
   
8.     sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL1, 400000000);
   
9.     sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL2, 45158400);
   
10.     sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK6, SYSCTL_POWER_V18);
    
11.     sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK7, SYSCTL_POWER_V18);
    
12.     sysctl_set_spi0_dvp_data(1);
    
13. 
    
14.     lcd_init();
    
15.     lcd_set_direction(DIR_YX_LRUD);
    
16.    
    
17.     while(1)
    
18.     {
    
19.         switch(x)
    
20.         {
    
21.             case 0:lcd_clear(WHITE);break;
    
22.             case 1:lcd_clear(BLACK);break;
    
23.             case 2:lcd_clear(BLUE);break;
    
24.             case 3:lcd_clear(RED);break;
    
25.             case 4:lcd_clear(MAGENTA);break;
    
26.             case 5:lcd_clear(GREEN);break;
    
27.             case 6:lcd_clear(CYAN);break;
    
28.             case 7:lcd_clear(YELLOW);break;
    
29.             case 8:lcd_clear(BRRED);break;
    
30.             case 9:lcd_clear(GRAY);break;
    
31.             case 10:lcd_clear(LIGHTGREY);break;
    
32.             case 11:lcd_clear(BROWN);break;
    
33.         }   
    
34. 
    
35.         lcd_draw_string(10, 10, "ATK-DNK210", RED);
    
36.         lcd_draw_string(10, 30, "LCD", RED);
    
37.         lcd_draw_string(10, 50, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
38. 
    
39.         if(++x == 12)
    
40.         {
    
41.             x=0;
    
42.         }
    
43.         
    
44.         sleep(1);   
    
45.     }      
    
46. }

复制代码

       可以看到首先是配置系统时钟，然后使用lcd_init函数对LCD进行初始化，然后重新设置显示扫描方向，最好在一个循环中不断改变LCD的背景颜色，并在LCD上显示一段字符串。

       16.4 运行验证
       将DNK210开发板连接到电脑主机，通过VSCode将固件烧录到开发板中，可以看到LCD上显示了一段字符串，并不断地更换背景颜色，如下图所示：

图16.4.1 LCD显示（白色背景）

图16.4.2 LCD显示（蓝色背景）