2020年09月08日 | AVR单片机教程——示波器

在用DAC做了一个稍大的项目之后，我们来拿ADC开开刀。在本讲中，我们将了解0.96寸OLED屏，移植著名的U8g2库到我们的开发板上，学习在屏幕上画直线的算法，编写一个示波器程序，使用EEPROM加入人性化功能，最后利用示波器观察555定时器、放大电路、波形变换电路的各种波形。

OLED屏

我们使用的是0.96寸OLED屏，它由128*64个像素点构成，上16行为蓝色，下48行为黄色，两部分之间有大约两像素的空隙。虽然有两种颜色，但每个像素点都只能发出一种颜色的光，因此这块OLED屏算作单色屏。

可以插在开发板上的是显示屏模块，它由裸屏和PCB等组成，裸屏通过30 pin的排线焊接在PCB的反面。

在裸屏的内部有一块控制与驱动芯片，型号为SSD1315，与SSD1306兼容，它是外部与像素点之间的桥梁。SSD1315有200多个引脚，其中128个segment和64个common以动态扫描的方式驱动每一个像素点，这就是它为什么必须做在裸屏的内部。除了这些以外，它还有许多电源和控制引脚：

• VDD是控制逻辑的供电，范围为1.65V到3.5V；VCC是OLED面板驱动电压，范围为7.5V到16.5V；VBAT是内部电荷泵的供电，范围为3.0V到4.5V，VBAT经电荷泵升压后提供给VCC，此时VCC需要连接电容到地；电荷泵需要两个外部电容，连接在C1P和C1N、C2P和C2N之间；VCOMH是一个内部电压，需要连接电容到地；VSS、VLSS、BGGND、LS都接地；IREF用于控制参考电压。

• BS[2:0]用于选择接口模式，支持4线SPI、3线SPI、I²C、8位8080和6800；E(RD)和R/W(WR)在并行模式下使用；D[7:0]为数据，在SPI模式下，D0是时钟信号，D1是输入数据信号，D2连接D1或地；在I²C模式下，D0是时钟信号，D1和D2一起是数据信号；RES是复位信号；CS是片选信号；D/C用于指定输入是数据还是指令，在I²C模式下为地址选择，在3线SPI模式下保持低电平；FR、CL、CLS都是时钟信号。

看起来很复杂，但事实上有些信号根本不用管，因为裸屏只有30个引脚，去掉了BS2、E(RD)、R/W(WR)、D[7:3]、FR、CL、CLS，这些都是不常用的（除了FR帧同步信号，我觉得有点用）。剩下的你也许需要学，但不是现在，而是在你的项目需要用裸屏的时候，因为那块蓝色的PCB把这些都处理好了，只留下了7个引脚：GND、VCC、D0、D1、RES、DC、CS。可用的通信模式只有4线SPI、3线SPI和I²C，但已经相当丰富了，可以通过模块背面的电阻来选择，出厂时是4线SPI，也就是我们将要使用的模式。有的模块只支持I²C模式，也就只需要4个引脚了。

在4线SPI模式下，D0连接单片机USART1的XCK1，D1连接TXD1，CS连接PB2，这些是标准SPI的信号；RES连接PB0，D/C连接PB1。芯片在时钟上升沿采样数据信号，SPI模式0或3都可以使用。接下来我们来看总线上的数据。

当D/C为低时，总线上传输的是控制指令；当D/C为高时，总线上传输的是显示数据。64行被分为8页，芯片内部有1024字节的显存，每一字节对应一页中的一列，也就是纵向8个像素：

显存支持页面、水平、垂直三种寻址模式，伴随有一个指针，每写入一字节数据，指针就以某种形式增长，类似于我们在C中写的*ptr++：

芯片支持很多指令，它们的长度由第一个字节决定，有各自的格式，大致可以分为以下几类：

• 显存：寻址模式、行列地址、页面地址；

• 显示：起始行、显示行数、对比度、各种remap、全亮、反转、睡眠、偏移；

• 电源：IREF电流大小、VCOMH电压阈值、电荷泵开关；

• 时钟：时钟频率、时钟分频、预充电周期；

• 滚动：水平滚动、水平垂直滚动、滚动区域、启用禁用滚动；

• 高级：淡化、闪烁、放大。

对照着datasheet，我们来写几个指令，让屏幕亮起来。

#include

#include

#include

void spi_init()

{

    UCSR1B =    1 << TXEN1;

    UCSR1C = 0b11 << UMSEL10

#define              UDORD1 2

           |    0 << UDORD1

#define              UCPHA1 1

           |    0 << UCPHA1

           |    0 << UCPOL1;

    set_bit(DDRD, 3);

    set_bit(DDRD, 4);

}

void spi_send(uint8_t _data)

{

    UDR1 = _data;

    while (!read_bit(UCSR1A, TXC1))

        ;

    set_bit(UCSR1A, TXC1);

}

void oled_init()

{

    spi_init();

    set_bit(DDRB, 0);  // RES

    set_bit(DDRB, 1);  // DC

    set_bit(DDRB, 2);  // CS

    set_bit(PORTB, 2); // CS  high

    set_bit(PORTB, 0); // RES high

}

void oled_control(uint8_t _size, ...)

{

    reset_bit(PORTB, 1); // DC low

    reset_bit(PORTB, 2); // CS low

    va_list args;

    va_start(args, _size);

    for (uint8_t i = 0; i != _size; ++i)

        spi_send(va_arg(args, int));

    va_end(args);

    set_bit(PORTB, 2);   // CS high

}

void oled_data(uint16_t _size, const uint8_t* _data)

{

    set_bit(PORTB, 1);   // DC high

    reset_bit(PORTB, 2); // CS low

    for (const uint8_t* end = _data + _size; _data != end; ++_data)

        spi_send(*_data);

    set_bit(PORTB, 2);   // CS high

}

int main(void)

{

    oled_init();

    oled_control(2, 0x8D, 0x95); // enable charge pump

    oled_control(1, 0xA1);       // segment remap

    oled_control(1, 0xC8);       // common remap

    oled_control(1, 0xAF);       // display on

    uint8_t data[128];

    for (uint8_t i = 0; i != 128; ++i)

        data[i] = i;

    for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)

    {

        oled_control(1, 0xB0 + i);

        oled_data(128, data);

    }

    while (1)

        ;

}

先来看指令：

• 0x8D, 0x95启用内置电荷泵，将输出电压设置为9.0V；

• 0xA1和0xC8分别设置segment和common的remap，因为另一份datasheet中指明，显示屏的第一行连接Common 62，第一列连接Segment 127；

  

• 0xAF开启显示，显示是默认关闭的，需要手动开启；

• 0xB0到0xB7设置页面寻址模式下的页面地址，这是默认的寻址模式，我们在循环中先设置地址，再发送128字节的数据，内容是0到127，循环8次，把每一页都填满。

画出的是一个美丽的分形图：

再来看oled_control这个函数。参数列表的最后是...，表示可变参数。在函数调用时，匹配到...的参数需要用中的工具取用：

• va_list是一个类型，创建一个这个类型的变量，表示可变参数列表；

• va_start是一个宏，第一个参数为va_list变量，第二个为可变参数的数量；

• va_arg取出可变参数列表中的下一个变量，类型由第二个参数指定；

• va_end在使用完可变参数后做一些清理工作。

需要提醒的是，编译器无法检查标称的参数数量和类型与实际的是否符合。

移植U8g2库

U8g2是一个著名的单色显示屏驱动与图形库。“U”是universal，支持众多显示驱动芯片；“8”是8-bit，单片机与芯片以字节为单位通信；“g”是graphics，有绘制各种图形的函数；“2”是第二代。

文首的资料中包含了U8g2仓库的全部资料，下载于2020年2月9日，你也可以从GitHub上下载。C源代码在文件夹csrc中，包含头文件与实现。为了在我们的项目中包含这些文件，我们在Atmel Studio的Solution Explorer中对项目右键，点击Add→New Folder，命名为“u8g2”，然后右键它并点击Add→Existing Item，选择csrc中的文件，它们就会被拷贝到项目目录下，在代码中可以通过`#include 引用头文件。

U8g2的使用很简单，Wiki告诉我们，要首先创建u8g2_t类型的对象，随后每个函数的第一个参数都是它的指针。先根据显示屏的芯片型号选择合适的设置函数，初始化后就有那么多函数可以使用了。

U8g2没有提供SSD1315的驱动，但由于SSD1315与SSD1306兼容，我们可以选择u8g2_Setup_ssd1306_128x64_noname_f函数。后缀为_f的函数在RAM中设置了整个缓存，共128 * 64 / 8 = 1KB，这样用起来比较方便。

移植的核心就在于初始化时注册的两个回调函数。根据Wiki，我们要提供的两个函数的模板为：

uint8_t u8x8_comm_callback(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr)

{

    switch (msg)

    {

    case U8X8_MSG_BYTE_INIT:

        break;

    case U8X8_MSG_BYTE_SET_DC:

        break;

    case U8X8_MSG_BYTE_START_TRANSFER:

        break;

    case U8X8_MSG_BYTE_SEND:

        break;

    case U8X8_MSG_BYTE_END_TRANSFER:

        break;

    default:

        return 0;

    }

    return 1;

}

uint8_t u8x8_gpio_delay_callback(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr)

{

    switch (msg)

    {

    case U8X8_MSG_GPIO_AND_DELAY_INIT:

        break;

    case U8X8_MSG_DELAY_NANO:

        break;

    case U8X8_MSG_DELAY_100NANO:

        break;

    case U8X8_MSG_DELAY_10MICRO:

        break;

    case U8X8_MSG_DELAY_MILLI:

        break;

    case U8X8_MSG_GPIO_CS:

        break;

    case U8X8_MSG_GPIO_DC:

        break;

    case U8X8_MSG_GPIO_RESET:

        break;

    default:

        return 0;

    }

    return 1;

}

现在我们来一一填写其中的语句：

U8X8_MSG_GPIO_AND_DELAY_INIT，初始化GPIO与延时；

set_bit(DDRB, 0);

set_bit(DDRB, 1);

set_bit(DDRB, 2);

U8X8_MSG_DELAY_NANO，延时若干纳秒，不超过100ns，由于CPU周期是40ns，函数调用的时间已经超过了100ns，因此什么都不做；

U8X8_MSG_DELAY_100NANO，延时几百纳秒，使用`提供的工具，延时精确到微秒，微秒数为参数除以10，由于除以10很慢，改为除以8；

#define __DELAY_BACKWARD_COMPATIBLE__

#define F_CPU 25000000UL

#include

    _delay_us(arg_int >> 3);

U8X8_MSG_DELAY_10MICRO，延时几十微秒，同样使用_delay_us；

    _delay_us(arg_int * 10);

U8X8_MSG_GPIO_CS、U8X8_MSG_GPIO_DC、U8X8_MSG_BYTE_INIT，分别设置CS、D/C、RES引脚电平，值为arg_int；

case U8X8_MSG_GPIO_CS:

    cond_bit(arg_int, PORTB, 2);

    break;

case U8X8_MSG_GPIO_DC:

    cond_bit(arg_int, PORTB, 1);

    break;

case U8X8_MSG_GPIO_RESET:

    cond_bit(arg_int, PORTB, 0);

    break;

以上是第二个函数；

U8X8_MSG_BYTE_INIT，通信的初始化，照搬spi_init函数就可以了；

    UCSR1B =    1 << TXEN1;

    UCSR1C = 0b11 << UMSEL10

#define              UDORD1 2

           |    0 << UDORD1

#define              UCPHA1 1

           |    0 << UCPHA1

           |    0 << UCPOL1;

    set_bit(DDRD, 3);

    set_bit(DDRD, 4);

U8X8_MSG_BYTE_SET_DC，设置D/C引脚的电平，这在上面已经写过了，可以通过u8x8_gpio_SetDC来转发；

    u8x8_gpio_SetDC(u8x8, arg_int);

U8X8_MSG_BYTE_START_TRANSFER、U8X8_MSG_BYTE_END_TRANSFER，开始传输和结束传输，即拉低和拉高CS电平；

case U8X8_MSG_BYTE_START_TRANSFER:

    u8x8_gpio_SetCS(u8x8, 0);

    break;

case U8X8_MSG_BYTE_END_TRANSFER:

    u8x8_gpio_SetCS(u8x8, 1);

    break;

U8X8_MSG_BYTE_SEND，发送数据，内容在arg_ptr中，大小为arg_int字节；

    for (const uint8_t* ptr = arg_ptr, *end = ptr + arg_int;

        ptr != end; ++ptr)

    {

        UDR1 = *ptr;

        while (!read_bit(UCSR1A, TXC1))

            ;

        set_bit(UCSR1A, TXC1);

        UDR1;

    }

我们再来细品一下回调这个概念。U8g2库不知道OLED屏的各引脚该如何写高低电平，因为这些硬件操作是平台相关的，于是就得问我们如何实现这些操作。它问的方式不是人机交互，而是要求程序员在初始化时注册一个回调函数，这个函数的参数和返回值的类型，所谓接口，包括参数的含义，都由库定义，我们提供的函数是这个接口在我们平台上的实现。库拿到了这个函数以后，在任何它需要硬件操作的时候，就可以调用这个回调函数。通过注册与回调，我们解决了高层对低层的依赖，并使程序容易移植——如果要在另一个单片机平台上驱动OLED，只需重新实现接口，替换掉原来的回调函数，而库的代码可以完全复用。

但是回调是有一定代价的，原本可以调用确定的函数，或者直接内联，现在需要使用函数指针了。众所周知，指令也是数据，存储在flash中；函数是指令序列，它的第一个指令的地址就是函数指针的值。CPU中有一个特殊的寄存器，叫程序计数器（Program Counter，PC），它保存着CPU要执行的指令的地址；函数指针是变量，保存在寄存器中，用函数指针调用函数本质上是把寄存器的内容加载进PC中。

现代CPU都是多级流水线的，CPU在执行一条指令的同时，取指部件会将待执行的指令从flash中取出，这是因为flash的读取往往比CPU慢。但是，遇到从寄存器加载PC的指令时，取指部件不知道下一条指令的位置，必须等待CPU译码、执行后，才能根据PC去取指令，需要额外消耗几个CPU周期。好在这个消耗不大，并且CPU已经足够快，我们很少考虑函数指针与回调带来的overhead。事实上C++的虚函数就是用函数指针实现的，而C++是以运行时效率著称的编程语言。

然后我们就可以开心地画图了！

#include

#include

#define __DELAY_BACKWARD_COMPATIBLE__

#define F_CPU 25000000UL

#include

#include

#include "u8g2/u8g2.h"

static u8g2_t u8g2;

static uint8_t u8x8_comm_callback(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr);

static uint8_t u8x8_gpio_delay_callback(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr);

int main(void)

{

    u8g2_Setup_ssd1306_128x64_noname_f(&u8g2, U8G2_R0, u8x8_comm_callback, u8x8_gpio_delay_callback);