海棠派 TFT 液晶显示

【海棠派开发板】第十四讲 14. TFT-8080口液晶显示

发布于 2024-09-10 17:36:00

14.1 实验内容

通过本实验主要学习以下内容：

• LCD显示原理

• EXMC NOR/SRAM模式时序和8080并口时序

• LCD显示控制

14.2 实验原理

使用MCU的EXMC外设实现8080并口时序，和TFT-LCD控制器进行通信，控制LCD显示图片、字符、色块等。

14.2.1 TFT-LCD介绍

薄膜晶体管液晶显示器（英语：Thin film transistor liquid crystal display，常简称为TFT-LCD）是多数液晶显示器的一种，它使用薄膜晶体管技术改善影象品质。虽然TFT-LCD被统称为LCD，不过它是种主动式矩阵LCD，被应用在电视、平面显示器及投影机上。

简单说，TFT-LCD面板可视为两片玻璃基板中间夹着一层液晶，上层的玻璃基板是彩色滤光片、而下层的玻璃则有晶体管镶嵌于上。当电流通过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决定像素的明暗状态。此外，上层玻璃因与彩色滤光片贴合，形成每个像素各包含红蓝绿三颜色，这些发出红蓝绿色彩的像素便构成了面板上的视频画面。

为了对TFT-LCD的显示进行控制，需要通过接口和液晶屏通信，但所谓与液晶屏通信，实际上还是与液晶屏驱动控制芯片在通信，而主控制器需要按控制芯片支持的通信进行交互，通常有UART、IIC、SPI、8080、MIPI等各类接口。另外需要注意的一点是：一般支持普通MCU接口的LCD驱动芯片，都需要内置GRAM(Graphics RAM), 至少能存储一个屏幕的数据。

这这里，我们使用了8080接口通过并行总线传输控制命令和数据，并通过往LCD液晶模组自带的GRAM更新数据实现屏幕的刷新。

GD32H757海棠派开发板TFT-LCD如下图所示，采用了ILI9488 LCD驱动器，分辨率320*480，支持多种通信接口，在GD32H757上，适合使用16-bit Parallel MCU Interface接口进行通信，开发板配套的LCD模块也采用了该接口设计和开发板进行连接。

14.2.2 LCD 8080并口时序介绍（16-bit Parallel MCU Interface）

8080接口是由英特尔设计，是一种并行、异步、半双工通信协议，作用是用于外扩RAM、ROM，后面也用于LCD接口。并行接口又分为 8位/16位/24位三种, 顾名思义，就是数据总线的位宽。

• 如下图所示是16-bit Parallel MCU Interface的接口和MCU的连接信号：

• 如下图所示是LCD驱动器 16BIT 8080并口读写时序：

￮ CS拉低后，并口DATA IO在WR的上升沿被采样；

￮可以理解为16线的SPI，而WR是写“CLK”，RD是读“CLK”；

￮但这里还多了D/C引脚用于选择传输命令或数据

• 8080接口的RGB颜色数据编码

￮像素信息用RGB三原色表示，所以向液晶屏传输的数据帧主要也就是传输的RGB颜色数据。

￮像素的颜色数据并不总是用 8R8G8B的24位真彩色表示，共有下面几种表示情况：

▪ 12-bits/pixel (R 4-bit, G 4-bit, B 4-bit), 4,096 Colors, 简称444;

▪ 16-bits/pixel (R 5-bit, G 6-bit, B 5-bit), 65,536 Colors, 简称565;

▪ 18-bits/pixel (R 6-bit, G 6-bit, B 6-bit), 262,144 Colors, 简称666;

▪ 24-bits/pixel (R 8-bit, G 8-bit, B 8-bit), 16,777,216 Colors, 简称888;
不同颜色表示方法和不同的总线位宽相组合，就会组合成多种RGB颜色数据编码。

￮综合显示效果、内存资源开销等，我们采取了RGB565像素格式，这样16BIT 8080每次传输就是一个像素点的像素值，传输数据就为像素颜色值。

14.2.3 EXMC外设和EXMC NOR/SRAM模式实现8080时序

• 这里我们使用EXMC中时序和接口类似的NOR/SRAM模式，来实现8080接口驱动TFT-LCD显示。

• 这里我们使用SRAM模式异步模式A（扩展模式），时序如下图：

我们对比上面的时序和16-bit Data Bus 8080 LCD时序，发现一些信号的时序是类似的，我们可以将这些信号进行对应：

EXMC_NEx -> CSx

EXMC_NOE->RDx

EXMC_NWE->WR

EXMC_D[15:0]->DB[15:0]

EXMC_Ax->D/C

这里巧妙的是使用EXMC_Ax引脚实现D/C的数据/命令切换功能，所以我们只需要选择一个方便布线的EXMC_Ax引脚，然后在软件中对该引脚对应的EXMC逻辑地址进行操作就可以实现程序读写不同地址时，D/C引脚的状态切换，从而实现访问一个EXMC地址时是数据或命令类似，访问该地址位反向的任意地址就是另外一个类型。对于程序中逻辑地址的影响，除了Ax引脚的选择外还有NEx引脚的选择。NE[0]-NE[3]对应如下图的NOR/SRAM BANK下的Region0-Region3。

14.3 硬件设计

在红枫派开发板设计中，我们使用EXMC_NE1引脚作为CS，EXMC_A12引脚作为D/C，同时LCD触摸接口使用SPI，LCD_BL为背光控制引脚，这里的引脚选用了带PWM的引脚，可以实现LCD的背光亮度调节。

14.4 代码解析

14.4.1 CSx、D/C、BL相关功能定义和注册；

在EXMC LCD驱动代码中存在和电路设计匹配的变更点，往往让开发者头大，需要详细阅读用户手册来进行配置调整、读写地址调整；而在我们的驱动文件bsp_8080_lcd.c中定义注册背光引脚、Ax、NEx引脚，当硬件设计变更时只需要在这里调整，驱动就可以在新的硬件中正常使用。

14.4.2 gpio和exmc初始化:

exmc使用了扩展模式，这样读和写的时序可以单独配置，因为LCD对读和写的要求时间是不同的，读的时候速率不能太高，如果使用一种参数类型就会为了满足读的要求而降低写的速率，影响最终刷屏的性能。这里主要调整读和写时的地址建立、数据建立时间，通常和硬件设计也有较大关系。

<td width="552" valign="top" style="width:414.0000pt;padding:3.0000pt 6.0000pt 1.5000pt 6.0000pt ;border-left:1.0000pt solid rgb(222,224,227); mso-border-left-alt:0.0000pt solid rgb(222,224,227);border-right:1.0000pt solid rgb(222,224,227);mso-border-right-alt:0.0000pt solid rgb(222,224,227); border-top:1.0000pt solid rgb(222,224,227);mso-border-top-alt:0.0000pt solid rgb(222,224,227);border-bottom:1.0000pt solid rgb(222,224,227); mso-border-bottom-alt:0.0000pt solid rgb(222,224,227);background:rgb(245,246,247);">C
static void driver_exmc_lcd_16bit_gpio_init(void)
{
 / EXMC clock enable /
 rcu_periph_clock_enable(RCU_EXMC);

 / EXMC enable /
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOE);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOG);

 / configure GPIO D[0-15] /
 gpio_af_set(GPIOD, GPIO_AF_12, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 |
 GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);
 gpio_mode_set(GPIOD, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 |
 GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);
 gpio_output_options_set(GPIOD, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_100_220MHZ, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 |
 GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);

 gpio_af_set(GPIOE, GPIO_AF_12, GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 |
 GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);
 gpio_mode_set(GPIOE, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 |
 GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);
 gpio_output_options_set(GPIOE, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_100_220MHZ, GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 |
 GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);
 
 / configure NOE NWE /
 gpio_af_set(GPIOD, GPIO_AF_12, GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5);
 gpio_mode_set(GPIOD, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5);
 gpio_output_options_set(GPIOD, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_100_220MHZ, GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5); 
}

void driver_exmc_lcd_init(uint32_t norsram_region)
{
 
 #define LCD_READ_DATA_SETTIME_NS 50
 #define LCD_READ_ADDR_SETTIME_NS 10

 #define LCD_WRITE_DATA_SETTIME_NS 20
 #define LCD_WRITE_ADDR_SETTIME_NS 10
 
 uint32_t ahb_clk=0;
 exmc_norsram_parameter_struct nor_init_struct;
 exmc_norsram_timing_parameter_struct nor_timing_read_init_struct;
 exmc_norsram_timing_parameter_struct nor_timing_write_init_struct;
 
 mpu_region_init_struct mpu_init_struct;
 mpu_region_struct_para_init(&mpu_init_struct);
 
 mpu_config(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGIONx_ADDR(norsram_region),MPU_REGION_SIZE_64MB,MPU_AP_FULL_ACCESS,MPU_ACCESS_BUFFERABLE,MPU_ACCESS_NON_CACHEABLE,MPU_ACCESS_NON_SHAREABLE,MPU_INSTRUCTION_EXEC_NOT_PERMIT,MPU_TEX_TYPE0); 

 / EXMC clock enable /
 rcu_periph_clock_enable(RCU_EXMC);
 
 driver_exmc_lcd_16bit_gpio_init(); 
 
 nor_init_struct.read_write_timing = &nor_timing_read_init_struct; 
 nor_init_struct.write_timing = &nor_timing_write_init_struct; 
 exmc_norsram_struct_para_init(&nor_init_struct); 
 nor_init_struct.read_write_timing = &nor_timing_read_init_struct; 
 nor_init_struct.write_timing = &nor_timing_write_init_struct; 
 
 SystemCoreClockUpdate();
 ahb_clk=rcu_clock_freq_get(CK_AHB);
 / config timing parameter /
 nor_timing_read_init_struct.asyn_access_mode = EXMC_ACCESS_MODE_A;
 nor_timing_read_init_struct.syn_data_latency = EXMC_DATALAT_2_CLK;
 nor_timing_read_init_struct.syn_clk_division = EXMC_SYN_CLOCK_RATIO_2_CLK;
 nor_timing_read_init_struct.bus_latency = 1;
 nor_timing_read_init_struct.asyn_data_setuptime = LCD_READ_DATA_SETTIME_NS/(float)(1000000000.0f/ahb_clk);
 nor_timing_read_init_struct.asyn_address_holdtime = 1;
 nor_timing_read_init_struct.asyn_address_setuptime = LCD_READ_ADDR_SETTIME_NS/(float)(1000000000.0f/ahb_clk);
 
 / config timing parameter /
 nor_timing_write_init_struct.asyn_access_mode = EXMC_ACCESS_MODE_A;
 nor_timing_write_init_struct.syn_data_latency = EXMC_DATALAT_2_CLK;
 nor_timing_write_init_struct.syn_clk_division = EXMC_SYN_CLOCK_RATIO_2_CLK;
 nor_timing_write_init_struct.bus_latency = 1;
 nor_timing_write_init_struct.asyn_data_setuptime = LCD_WRITE_DATA_SETTIME_NS/(float)(1000000000.0f/ahb_clk);
 nor_timing_write_init_struct.asyn_address_holdtime = 1;
 nor_timing_write_init_struct.asyn_address_setuptime =LCD_WRITE_ADDR_SETTIME_NS/(float)(1000000000.0f/ahb_clk);

 / config EXMC bus parameters /
 nor_init_struct.norsram_region = norsram_region;
 nor_init_struct.write_mode = EXMC_ASYN_WRITE;
 nor_init_struct.extended_mode = ENABLE;
 nor_init_struct.asyn_wait = DISABLE;
 nor_init_struct.nwait_signal = DISABLE;
 nor_init_struct.memory_write = ENABLE;
 nor_init_struct.nwait_config = EXMC_NWAIT_CONFIG_BEFORE;
// nor_init_struct.wrap_burst_mode = DISABLE;
 nor_init_struct.nwait_polarity = EXMC_NWAIT_POLARITY_LOW;
 nor_init_struct.burst_mode = DISABLE;
 nor_init_struct.databus_width = EXMC_NOR_DATABUS_WIDTH_16B;
 nor_init_struct.memory_type = EXMC_MEMORY_TYPE_SRAM;
 nor_init_struct.address_data_mux = DISABLE;

 exmc_norsram_init(&nor_init_struct);

 / enable the EXMC bank0 NORSRAM /
 exmc_norsram_enable(norsram_region); 
}<o:p></o:p>

14.4.3 LCD数据、命令读写：

LCD的命令、数据的读写都通过EXMC来实现，在读写EXMC的逻辑地址时对应的波形会发送到LCD上，命令/数据目前通过地址引脚控制，所以我们需要定义两个地址分别对应命令、数据地址，对这两个地址读和写就可以实现LCD读写数据、写命令功能。

14.4.4 LCD初始化

LCD初始化序列通常LCD驱动器厂家会提供相关寄存器配置，为了兼容不同的LCD，可以读取LCD ID后执行不同的驱动芯片初始化：

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