学年论文 基于STM32的LCD显示屏设计

本科学年论文（设计）基于 STM32的 LCD显示屏设计系 别 专 业届 别 班 级学生姓名 学 号指导教师 职 称二 O 一六 年 六 月目录1 前言 .1.1 设计的背景 .11.2 研究现状及发展趋势 .12 硬件设计2.1 系统的总体设计 .32.1.1 STM32 的主控模块 .32.1.2 电源模块 .52.1.3 复位电路模块 .52.1.4 晶振电路 .62.1.5 SD 卡读取模块 .62.2 LCD 控制器 .72.2.1 ILI9341 控制器结构 .72.2.2 像素点的数据格式 .82.2.3 ILI9341 的通讯时序 .83 软件设计3.1 字模提取方法 .103.1.1 字模 .103.1.2 制作字模 .103.2 显示中英文及 BMP 图片 .113.2.1 配置工程环境 .123.2.2 main 文件 .123.2.3 显示中英文的主要代码 .133.2.4 显示 BMP 图片的主要代码 .144 系统调试 .185 结论 .1811 前言1.1 设计的背景液晶显示器(LCD) 已广泛应用于计算机、电视及智能仪表中，它的主要优点是功耗低、控制电压低、集成电路容易控制。LCD 显示屏的体积小、重量轻、超薄等特点是其它显示屏无法比拟的。近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD 可分为段式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD。其中段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字符和数字简易显示，而不能够满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式 LCD 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，区分开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛 1。液晶显示器作为一种新型显示输出设备，消除了传统 CRT 的屏幕闪烁和像素抖动，不仅具有高亮度、对比度，高可靠性、抗干扰能力强等优点，而且体积小，功耗低、宽视野、色彩鲜明、无辐射。随着相关技术的日趋成熟，它的应用领域迅速扩展，尤其是在工业控制，医疗仪器、机电设备、商业消费等方面，正逐渐成为新的热点。LCD 显示多采用专用的控制器，功能强大，实了很好的显示效果。但是其价格高昂，且多要求有的操作系统实现控制功能。这必然限制其在功能要求不高、对价格敏感的小型设备中使用。1.2 研究现状及发展趋势在 LCD 显示应用领域，通常数据源输出图像的分辨率是变化的，而从工业生产标准化要求和获得最佳显示效果的角度出发，LCD 显示器的物理分辨率则是固定不变的。这就需要将不同分辨率的输入图像经过缩放后输出到分辨率固定的LCD 显示器上，当前工业上解决这一问题的方案是在输入数据源和数据显示设备之间设置 LCD 图像引擎来实现缩放处理 2。LCD 显示器是纯数字设备，数字接口是其最佳的选择，随着数字接口技术标准逐渐地统一起来，越来越多的显示芯片具备了支持数字视频输出的能力，显卡制造商也开始在显卡上集成数字显示接口。基于这种现状，当前 LCD 图像引擎芯片也就存在基于模拟到接口和数字接口两种类型 3。两类芯片尽管实现基本功能一致，但是由于标准的不同，结构存在较大差异。2采用模拟接口方式时，图像信号处理流程是：显卡首先将数字图像信号变为模拟信号(DAC)，然后由电缆送到显示器上，显示器再将模拟信号变为数字信号(ADC)，最后经过图像放处理后进行图像显示 4。这样，信号经由 DAC，ADC 到最后的信号输出实际上是一个多余循环过程，这个循坏没有任何积极的意义，相反还引入了三个信号失真源：DAC、电缆、ADC，最终影响了图像的输出效果。采用数字接口方式则去掉了这些不必要的环节，直接输出数字视频信号，经图像缩放处理后，就可以直接送到显示器进行显示，图像的输出效果毫无疑问会优于前一种模式。数字接口取代模拟接口是大势所趋，考虑到数模接口兼容，目前很多厂商在同一芯片上不仅提供数字接口，而且提供模拟接口 5。进入大尺寸 LCD 图像引擎 IC 的门槛较 LCD 驱动 IC 要高，涉及专利问题较多，由目前主要 Genesis、 PHILIPS、NS(National Semiconductor)，ST(STMicroelectronics)等国际大厂控制 6。在庞大市场需求的强力吸引下，中国台湾陆续有数十家 IC 设厂投入到 LCD 显示相关芯片领域。台湾地区厂商晨星（Mstar ） 、凌泰 (Averlogic)、兆宏(Magicpixel)、联咏 (Novatek)、瑞昱(Realtek)、晶磊(Smartasic) 、创品(Trumpion)、凌越(Topro)、世纪民生(Myson century)、晶捷科技(MRT)等厂家在 LCD 图像引擎芯片市场也取得了一定份额。目前我国 IC 设计公司数量已经突破 400 家大关，但在 LCD 图像引擎芯片的研发上 7，内地 IC设计公司参与者却寥寥无几。目前仅有成都威斯达在进行这方面的研发和设计，其面向 LCDTV 的主打方案 WS1115、WSC2100 也已经得到了成功的应用。LCD 显示屏的发展主要有如下几个趋势：1)实现分离式图像引擎 IC 到初期较低程度整合，再到高集成度整合的转变。 2）LCD 图像引擎数字接口将取代模拟接口。3)低摆幅差分信号 RSDS 逐步导入控制板的输出介面 8 。4）在控制 IC 中为家庭中的 PC、DVD、TV Cable、PS2 、xBox 等影音数据源提供更加广阔的匹配接口，使大尺寸 LCD 显示器功能更加多样化。5）LCD 面板开始步入 10bits，因此支持 10bits 的 LCD 像引擎也将成为标准要求，同时宽屏 LCD 显示器成为了消费者的新宠。总而言之，LCD 显示器正朝着更多的输出、更快的速度、更高的品质（考虑电磁兼容等方面的设计加入） 、更低的功耗等方向快速发展 9。32 硬件设计2.1 系统的总体设计本次设计是通过在 STM32 进行软件编程来控制 LCD 液晶显示屏的显示设计。它的整体思想是系统电源部分可以使用 5 V 电源端口供电，再通过 3.3 V 稳压芯片得到单片机与 LCD 显示模块所需电源。 单片机采用 STM32 系列的STM32F103VET6，采用 LCD 液晶显示模块作为系统的显示部分。 通信接口电路主要是由芯片 PL2303 构成，它的功能主要是将电脑的 USB 接口转换为串口，同时还将 PC 的逻辑电平转换为与单片机系统相同的 CMOS 电平，方便程序的烧写以及与上位机的通信。系统结构框图如图 2.1 所示。图 2-1 系统结构图2.1.1 STM32 的主控模块STM32 是整个 LCD 显示设计的核心部分。这是一个具有较高性能而又经济的单片机。本设计选用属于 STM32 系列的 STM32F103VET6 作为控制电路的核心部件，该单片机属于 ST 意法半导体公司生产的 32 位高性能、低成本、低功耗的增强型系列单片机，它的内核采用的是 ARM 公司最新研发的 CortexTM-M3 架构，该内核是专门设计于满足用户对高性能、低功耗和经济实用的要求。ARM Cortex-M3 处理器的架构在系统结构上的增强，最高 36MHz 工作频率，在存储器的 0 等待周期访问时可达 1.25DMips/MHz(Dhrystone 2.1)，它使得 STM32增强型系列单片机受益无穷，其采用的 THUMB-2 指令集使得其指令效率更高，而且性能更强。STM32F103LCD 显示模块SD 卡读取模块复位电路晶振电路电源电路4STM32F103ZET6 采用薄型四方扁平式封装技术（LQFP）具有 100 管脚，片内具有 8M 的 SPI FLASH，64KB 的 RAM（片上集成12Bit A/D、D/A 、PWM 、 CAN、USB 、安全数字输入输出卡 SDIO、可变静态存储控制器 FSMC 等资源） 。1 个串行外设接口（SPI）总线控制的 M25P16（16MB容量的串行 FLASH） ，用于存储数据、代码、字库及图相等。1 个 3.2 寸 240*320分辨率触摸屏，利用 MCU 的 FSMC 的 16 位数据接口模式，触摸屏采用ADS7843（4 线电阻触摸屏转换接口芯片）芯片用硬 SPI 接口控制。STM32 单片机采用 2.03.6V 的供电电压，可以工作在 -4085 的温度范围内，其最高的工作频率是 72MHz，其最小电路如图 2-2 所示，其资源图如图 2-3 所示。图 2-2 32F103VET6 的最小系统图 2-3 硬件资源描述图52.1.2 电源模块STM32 单片机由 AMS1117-3.3 芯片电路供电，输入+5V ，提供 3.3V 的固定电压输出，为了降低电磁干扰，需要经 C1- C3 滤波后再为 CPU 供电，R38 为DGND 与 AGND 的连接电阻，电源电路如图 2-4 所示。图 2-4 电源电路2.1.3 复位电路模块复位电路对单片机系统非常重要。复位电路有几点要求，其一，上电时有足够的有效复位电平时间，以便 CPU 在晶振起振达到稳态后可靠复位；其二，系统断电后，复位端能快速放电，以便使系统在连续快速开关时能可靠复位。本电路中，要复位只需要在接高电平持续 2us 就可以实现。在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。图 2-5 复位电路62.1.4 晶振电路有源晶振是一个完整的谐振振荡器，它是利用石英晶体的压电效应来起振，所以有源晶振需要供电，当我们把有源晶振电路做好后，不需要外接其它器件，只要给它供电，它就可以主动产生振荡频率，并且可以提供高精度的频率基准，信号质量也比无源信号要好。有源晶振通常有 4 个引脚，VCC ，GND ，晶振输出引脚和一个使能引脚。电路只需要接到单片机的晶振的输入引脚上，输出引脚上不需要接。图 2-6 晶振电路2.1.5 SD 卡读取模块SD 卡的数据写入、读取的最小单位是块，每块的大小为 512 字节。见图 19-4，为多个数据块的写入过程。首先软件通过 SDIO 接口的 CMD 信号线发送多块写入的命令，接收到正常的响应后，要写入的数据线从 4 根 DAT 信号线传输出去，每块结束后是 CRC 校验码。接着要检测忙状态，数据传输到 SD 卡后，SD 卡启动内部时序保存数据，这时 SD 卡会把 DAT0 信号线拉低，表示处于“忙”状态，忙状态结束后，主机才能发送下一个数据块的数据。图 2-7 STM32 的 SDIO 接口72.2 LCD 控制器LCD，即液晶显示器，因为其功耗低、体积小，承载的信息量大，因而被广泛用于信息输出、与用户进行交互，目前仍是各种电子显示设备的主流。因为STM32 内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，所以在显示面板中应自带含有这些驱动芯片的驱动电路(液晶屏和触摸屏的驱动电路是独立的)，STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏和触摸屏。本系统使用的 STM32 有 3.2 寸液晶屏(240*320)，它使用 ILI9341 芯片控制液晶屏，通过 XPT2046 芯片控制触摸屏。2.2.1 ILI9341 控制器结构液晶屏的控制芯片内部结构非常复杂，见图 2-8。最主要的是位于中间GRAM，可以理解为显存。GRAM 中每个存储单元都对应着液晶面板的一个像素点。它右侧的各种模块共同作用把 GRAM 存储单元的数据转化成液晶面板的控制信号，使像素点呈现特定的颜色，而像素点组合起来则成为一幅完整的图像。框图的左上角为 ILI9341 的主要控制信号线和配置引脚，根据其不同状态设置可使芯片工作在不同的模式，如每个像素点的位数是 6、16 还是 18 位；使用SPI 接口还是 8080 接口与 MCU 进行通讯；使用 8080 接口的哪种模式。MUC 通过 SPI 或 8080 接口与 ILI9341 进行通讯，从而访问它的控制寄存器、地址计数器及 GRAM。在 GRAM 的左侧还有一个 LED 控制器。LCD 为非发光性的显示装置，它需要借助背光源才能达到显示功能，LED 控制器就是用来控制它的背光源。8图 2-8 ILI9341 控制器内部框图2.2.2 像素点的数据格式图像数据的像素点由红(R)、绿(G)、蓝(B) 三原色组成，三原色根据其深浅程度被分为 0255 个级别，它们按不同比例的混合可以得出各种色彩。如R：255 ，G255 ，B255 混合后为白色。根据描述像素点数据的长度，主要分为8、16、24 及 32 位。如以 8 位来描述的像素点可表示 28=256 色，16 位描述的为216 =65536 色，称为真彩色，也称为 64K 色。实际上受人眼对颜色的识别能力的限制，16 位色与 12 位色已经难以分辨了。ILI9341 最高能够控制 18 位的 LCD，但为了数据传输简便，这里采用的是它的 16 位控制模式，以 16 位描述的像素点。按照标准格式，16 位的像素点的三原色描述的位数为 R：G：B =5：6：5，描述绿色的位数较多是因为人眼对绿色更为敏感。16 位的像素点格式见表 2.1 16 位像素点格式。表 2.1 16 位像素点格式图中的是默认 18 条数据线时，像素点三原色的分配状况，D1D5 为蓝色，D6D11 为绿色， D13D17 为红色。这样分配有 D0 和 D12 位是无效的。若使用16 根数据线传送像素点的数据，则 D0D4 为蓝色，D5D10 为绿色，D11D15为红色，使得刚好使用完整的 16 位。RGB 比例为 5：6：5 是一个十分通用的