2021年07月26日 | STM32CubeMX | 35-使用硬件FSMC驱动TFT-LCD屏幕

本篇详细的记录了如何使用STM32CubeMX配置 STM32f407ZGT6 的硬件FSMC外设驱动TFT-LCD屏幕。

1. 准备工作

硬件准备

• 开发板
  首先需要准备一个开发板，这里我准备的是STM32F407ZGT6的开发板。

• TFT-LCD
  开发板底板接正点原子4.3寸TFT-LCD。
  

2. STM32 FSMC外设概述

2.1. 什么是FSMC

FSMC全称 Flexible static memory controller，灵活的静态内存控制器，顾名思义，其主要作用是：负责向外部扩展的存储类设备提供控制信号。

FSMC内存控制器支持的存储设备有：

• Nor Flash、SRAM、PSRAM

• Nand Flash

• 类SRAM设备

2.2. FSMC外设的功能框图

2.3. 外部设备的地址映射（重点）

从FSMC的角度来看，外部的存储设备被分为几个固定大小的Bank，每个bank 256 MB。

整个FSMC外设映射地址的划分如图：

2.3.1. Bank1

Bank1的地址空间为：0x6000 0000 - 0x6FFF FFFF，支持外接Nor Flash、PSRAM、SRAM等设备，还可以外接DM9000等类存储设备。

整个Bank1的地址空间被划分为四个子bank，每个子bank的大小为64MB，刚好对应FSMC外设的地址总线（FSMC_A[0:25]）有26条（2^26=64MB）。

FSMC还有两条内部总线ADDR[27:26]，用这两路控制片选信号，如下表：

BANK1控制时序模型

接下来讲述BANK1控制外部存储器的时序模式，BANK1又称为Nor Flash/SRAM/PSRAM控制器，后续暂且叫它SRAM控制器。

SRAM控制器支持两种控制模式：

• 同步模式

• 异步模式

对于异步模式，FSMC主要设置三个时序参数：

• 地址建立时间：ADDSET

• 数据建立时间：DATASET

• 地址保持时间：ADDHLD

根据SRAM、PSRAM、Nor Flash的综合特点，FMC定义了四种不同的异步时序模型，如下表：

本文中控制TFT-LCD使用的就是异步ModeA时序模型。

异步ModeA时序模型

模式A时序模型的优势在于：支持独立的读写时序控制。这一点对于控制TFT-LCD来说，非常符合。因为TFT-LCD在读的时候，一般比较慢，而在写入的时候一般比较快。

模式A的读操作时序如图：

模式A的写操作时序如图：

图中ADDSET和DATASET两个时序的值，后续配置的时候会详细讲述。

2.3.2. Bank2、3/4

只能外接Nand Flash设备和PC Card设备：

3. 使用STM32CubeMX生成工程

选择芯片型号

打开STM32CubeMX，打开MCU选择器：

搜索并选中芯片STM32F407ZGT6：

配置时钟源

• 如果选择使用外部高速时钟（HSE），则需要在System Core中配置RCC；

• 如果使用默认内部时钟（HSI），这一步可以略过；

这里我都使用外部时钟：

调试选项配置

默认没有配置下载引脚，烧录之后下载器将无法再检测到，这里我使用ST-Link，所以配置为SW选项：

配置串口

开发板板载了一个CH340换串口，连接到USART1，但是引脚不是默认引脚，需要手动修改。

接下来开始配置USART1：

配置FSMC外设

本文所使用的开发板中，将TFT-LCD当做SRAM来操作，连接在FSMC的BANK1的第4个区域。
知识点：为什么TFT-LCD可以当做SRAM来控制？
因为TFT-LCD和SRAM相比，同样需要D0-D15数据线，WR、RD、CS控制线，唯一不同的就是TFT-LCD需要一条RS信号线（用于控制传输的是命令还是数据），而SRAM则需要一堆地址线，所以可以巧妙的使用任意一条地址线来当做RS信号。

FSMC配置

开发板上 TFT-LCD 的原理图如下：

通过原理图可以看出：

• LCD D0-D15：使用了16bit：FSMC D0 - FSMC D15；

• LCD_RS：使用FSMC A6来控制向LCD写入数据还是命令（0-命令，1-数据）；

• LCD_BL：背光控制，对应PB5；

• LCD_CS：LCD片选信号，FMC_NE4，表示使用Bank1的Bank4子区域

• LCD_WR ：LCD写使能，FSMC_NWE；

• LCD_RD：LCD读使能，FSMC_NOE；

• RESET：LCD复位信号，直接与单片机复位信号接在一起；

根据这些信息，在STM32CubeMX中先配置SRAM4的基本设置：

此处如果选择LCD接口类型和SRAM类型的区别在于：
LCD接口类型只会配置用到的那一个地址引脚，而SRAM类型则会配置所有的地址引脚。

SRAM基本参数配置

首先设置基本的参数，允许读与写使用不同的模式：

SRAM时序参数配置

本文中使用的LCD控制器为NT35510控制器，找到其数据手册，查看：

其中主要的时序参数配置方法如下。

读时序配置

① HCLK

时序参数都是以HCLK的周期为单位的，在本文中HCLK=168Mhz，所以一个周期为5.95ns。

② 地址建立时间：Address setup time（ADDSET）

该时序的最大值的15个HCLK，从图中可以看出，NT35110控制器要求读的时候最小为10ns，,所以设为2即可，2x5.95=11.9ns。

③ 数据持续时间：Data setup time(DATASET)

读时序比较慢，该时序的最大值为255个HCLK，从图中可以看出，NT35510控制器要求的数据建立时间最小为15ns，但因为读时序比较慢，所以设为4，4x5.95=23.8ns。

写时序配置

① HCLK

时序参数都是以HCLK的周期为单位的，在本文中HCLK=168Mhz，所以一个周期为5.95ns。

② 地址建立时间：Address setup time（ADDSET）

该时序的最大值为15个HCLK，NT35110控制器要求写的时候最小为0，,所以设为0即可。

③ 数据持续时间：Data setup time(DATASET)

写时序比较快，该时序的最大值为255个HCLK，图中可以看出，NT35510控制器要求的数据建立时间最小为15ns，但因为读时序比较慢，所以设为3，3x5.95=17.85ns。

综合上述计算，配置情况如下：

配置背光引脚

配置时钟树

STM32F407ZGT6的最高主频到168M，使HCLK = 168Mhz即可：

生成工程设置

代码生成设置

最后设置生成独立的初始化文件：

生成代码

点击GENERATE CODE即可生成MDK-V5工程：

4. 编写TFT-LCD驱动（测试是否可以正常读写ID）

特别提醒：STM32CubeMX生成的工程默认开启了-O3优化，编写的驱动太菜了，会出问题，所以遇到玄学Bug请改为-O0优化！

封装底层发送/读取函数

LCD的底层无非就是两个API：发送命令、发送数据，（有的还需要从屏幕读取数据），接下来封装出这两（三）个底层API。

之前查看原理图的时候，表示命令或者数据的LCD_RS控制引脚接在FMC_A6上，也就是说地址数据的第6位，所以在头文件lcd-fsmc.h中先定义：

/* 通过地址线控制RS引脚 */

#define LCD_CMD_ADDR            0x6c00007E

#define LCD_DAT_ADDR            0x6c000080

接着开始封装两个（三个）底层操作函数：

① 发送命令函数：

/**

 * @brief    向LCD写入命令

 * @param    cmd 待写入命令

 * @retval   none

*/

static void lcd_write_cmd(__IO uint16_t cmd)

{

    *(uint16_t *)(LCD_CMD_ADDR) = cmd;

}

② 发送数据函数：

/**

 * @brief    向LCD写入数据

 * @param    data 待写入数据

 * @retval   none

*/

static void lcd_write_data(__IO uint16_t data)

{

    *(uint16_t *)(LCD_DAT_ADDR) = data;

}

③ 读取数据函数：

/**

 * @brief    从LCD读取数据

 * @param    none

 * @retval   读取到的数据

*/

static uint16_t lcd_read_data(void)

{

    __IO uint16_t data;

    data = *(uint16_t *)(LCD_DAT_ADDR);

    return data;

}

基于这三个底层API，还可以封装出读写LCD内部寄存器的函数：

/**

 * @brief    写LCD中的寄存器

 * @param    reg  寄存器序号

 * @param    data 要写入寄存器的值

 * @retval   none

*/

static void lcd_write_reg(__IO uint16_t reg, __IO uint16_t data)

{

    lcd_write_cmd(reg);

    lcd_write_data(data);

}

LCD控制参数结构体

为了方便驱动不同的IC，保存不同的控制参数，在lcd_fmc.h中封装如下数据类型：

/**

 * @brief    保存LCD屏幕参数

 * @param    lcd_width     LCD屏幕宽度

 * @param    lcd_height    LCD屏幕高度

 * @param    lcd_id        LCD 驱动IC ID

 * @param    lcd_direction LCD横屏显示还是竖屏显示，0-竖屏，1-横屏

 * @param    wram_cmd      开始写gram指令

 * @param    set_x_cmd     设置x坐标指令

 * @param    set_y_cmd     设置y坐标指令

*/

typedef struct lcd_params_st {

    uint16_t lcd_width;

    uint16_t lcd_height;

    uint16_t lcd_id;

    uint8_t  lcd_direction;

    uint16_t wram_cmd;

    uint16_t set_x_cmd;

    uint16_t set_y_cmd;

} lcd_params_t;

然后在头文件中声明外部变量定义，方便其他程序访问：

extern lcd_params_t lcd_params;

在lcd_fsmc.c中定义此变量为全局变量：

lcd_params_t lcd_params;

LCD驱动打印日志的处理

为了方便程序开发，难免要打印一些日志，但是如果printf没有被重定向，则会导致LCD驱动卡死。为了避免这个问题，我们使用宏开关的方式来控制是否打印。

在lcd_fsmc.h中定义此宏开关：

/* 使能此驱动是否打印调试日志（需要printf支持） */

#define LCD_LOG_ENABLE          1

接着可以定义一个日志打印函数：

#if LCD_LOG_ENABLE

#include

#define LCD_LOG printf

#else

#define LCD_LOG(format,...)

#endif

之后所以需要打印的地方使用LCD_LOG代替printf即可。

编写LCD控制器ID读取函数

通过主动读取此控制器ID，可以自动检测出是哪种类型的控制器，然后执行不同的驱动代码：

static int lcd_read_id(void)

{

    /* 尝试执行ILI9341控制器ID的读取流程 */

    lcd_write_cmd(0XD3);    

lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();    

lcd_params.lcd_id <<= 8;

lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();

    /* 如果正常读到，则返回成功 */

    if (lcd_params.lcd_id == 0x9341) {

        return 0;

    }

    /* 尝试执行NT35310控制器ID的读取流程 */

    lcd_write_cmd(0XD4);    

    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

    lcd_params.lcd_id <<= 8;  

    lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();

    /* 如果正常读到，则返回成功 */

    if (lcd_params.lcd_id == 0x5310) {

        return 0;

    }

    /* 尝试执行NT35510控制器ID的读取流程 */

    lcd_write_cmd(0XDA00);

    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

    lcd_write_cmd(0XDB00);

    lcd_params.lcd_id = lcd_read_data();

    lcd_params.lcd_id <<= 8;  

    lcd_write_cmd(0XDC00);

    lcd_params.lcd_id |= lcd_read_data();

    /* 如果正常读到，则返回成功 */

    if (lcd_params.lcd_id == 0x8000) {

        lcd_params.lcd_id = 0x5510;

        return 0;

    }

    /* 驱动IC不支持 */

    lcd_params.lcd_id = 0;

    return -1;

}

编写LCD初始化函数

LCD初始化需要发送大量的命令和数据，本文限于篇幅，只给出读LCD 控制IC的ID的部分，用来测试LCD是否能正常读写足矣。

void lcd_init(void)

{

    /* 初始化FMC接口 */

    //MX_FSMC_Init();

    /* 开启背光 */

    HAL_GPIO_WritePin(LCD_BL_GPIO_Port, LCD_BL_Pin, GPIO_PIN_SET);

  HAL_Delay(50); 

  /* 读取LCD控制器IC */

    if (lcd_read_id() == -1) {

        LCD_LOG("Not Support LCD IC!rn");

        return;

    } else {

        LCD_LOG("LCD IC ID is:%#xrn", lcd_params.lcd_id);  

    }

return;

}

在lcd_fsmc.h中声明该函数：

void lcd_init(void);

测试是否可以正常操作LCD

在main.c中包含进来头文件：

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN Includes */

#include

#include "lcd_fsmc.h"

/* USER CODE END Includes */

然后在man函数中调用：

/* USER CODE BEGIN 2 */

printf("4.3' TFT-LCD Test By Mculover666rn");

lcd_init();

/* USER CODE END 2 */

编译，下载，在串口助手中查看结果：

5. 编写TFT-LCD驱动（初始化、刷屏测试）

可以正常读取ID之后，接下来的工作是：

发送一堆一堆的命令，初始化屏幕；

设置坐标

清屏

刷屏测试

① LCD开显示、关显示、LCD设置扫描方向、 LCD设置显示方向、LCD设置光标位置这些函数代码不多，需要的话请查看源码。

② 清屏函数：

static void lcd_write_ram_start(void)

{

    lcd_write_cmd(lcd_params.wram_cmd);

}

static void lcd_write_ram(uint16_t rgb_color)

{

    lcd_write_data(rgb_color);

}

void lcd_clear(uint16_t color)

{

uint32_t index = 0;      

uint32_t totalpoint = lcd_params.lcd_width;

    /* 计算得到总点数 */

totalpoint *= lcd_params.lcd_height;

    /* 设置光标位置 */

lcd_set_cursor(0x00,0x0000);

    /* 开始写入GRAM */

lcd_write_ram_start();

    /* 写入数据到GRAM */

for (index = 0; index < totalpoint; index++) {

lcd_write_ram(color);

}

}

③ 初始化函数：代码过长，请查看源码。

这三类函数实现完之后，就可以编写一个如下的刷屏测试函数：

void lcd_auto_clear(uint16_t period_ms)

{

    lcd_clear(BLACK);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(BLUE);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(GREEN);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(GBLUE);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(CYAN);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(GRAY);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(BROWN);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(RED);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(BRED);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(BRRED);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(YELLOW);

    HAL_Delay(period_ms);

    lcd_clear(WHITE);

    HAL_Delay(period_ms);

}

在main函数中调用此函数，分别给予不同的刷新频率，测试刷屏速度和效果。

6. 实现打点、画线、填充函数（重点）

打点函数

/**

 * @brief    LCD打点函数

 * @param    x_pos x方向坐标

 * @param    y_pos y方向坐标

 * @retval   none

*/

void lcd_draw_point(uint16_t x_pos, uint16_t y_pos, uint16_t color)