如何使用STM32 HAL库驱动TFT-LCD实现手画板功能

Posted 2021-10-12 三明治开发社区

使用STM32 HAL库和TFT-LCD通信

本文将教大家如何使用STM32HAL库去驱动TFT-LCD屏。

实现功能：实现手画板的功能。

程序下载路径：demo程序。

一.STM32L4简介

STM32L476RGT6是64脚的单片机，GPIO的数量有50多个，这么多的GPIO，拿来驱动一个26个引脚的8080端口TFT彩屏是可以的。STM32的C、K、R系列的芯片是不带FSMC（可变静态存储控制器），因此这三类STM32单片机只能采用IO模拟方式驱动TFT彩屏；STM32L476RGT6内部的Flash大小为1MB，也就是说可以存储的const数组大小大约为0.9MB，可以存储0.9MB的const数组是什么概念呢，一张320x240的16位色BMP图片占用为320x240x16/8=153600B=150KB,而800x600的16位色BMP图片占用为800x600x16/8=937.5KB=0.91MB,就是说这个L476RGT6可以存放一张0.91MB的800x600的16位色BMP图片的const数组于内部Flash里面。

二.TFT-LCD简介

我们通过STM32的普通IO口模拟8080总线来控制TFT-LCD的显示。我们使用的是正点原子的2.8寸ALIENTEK TFT-LCD模块， 16位真彩显示，自带触摸屏，可以用来作为控制输入。该模块支持65K色显示，显示分辨率为320×240，接口为16位的8080并口，自带触摸屏（电阻触摸屏）。

• 模块实物图如下所示：

• 原理图如下所示（参考正点原子官方的文档）：

• 模块接口图如下所示：TFTLCD模块采用2*17的2.54公排针与外部连接。

ALIENTEK TFTLCD模块采用16位的并口方式与外部连接，之所以不采用8位的方式，是因为彩屏的数据量比较大，尤其在显示图片的时候，如果用8位数据线，就会比16位方式慢一倍以上。

三.TFT-LCD显示实验

触摸屏芯片的接口如下所示：

• CS：TFTLCD片选信号。
• WR：向TFTLCD写入数据。
• RD：从TFTLCD读取数据。
• D[15：0]：16位双向数据线。
• RST：硬复位TFTLCD。
• RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。

模块的RST信号线是直接接到STM32的复位脚上，并不由软件控制，这样可以省下来一个IO口。另外我们还需要一个背光控制线来控制TFTLCD的背光。所以，我们总共需要的IO口数目为21个。这里还需要注意，标注的DB1~DB8，DB10~DB17，是相对于LCD控制IC标注的，实际上可以把他们就等同D0~D15（按从小到大顺序）。

数据线有用的是：D17~D13和D11~D1，D0和D12没有用到，实际上在LCD模块里面，ILI9341的D0和D12压根就没有引出来，ILI9341的D17~D13和D11~D1对应MCU的D15~D0。 这样MCU的16位数据，最低5位代表蓝色，中间6位为绿色，最高5位为红色。

数值越大，表示该颜色越深。另外，特别注意ILI9341所有的指令都是8位的（高8位无效），且参数除了读写GRAM的时候是16位，其他操作参数，都是8位的，这个和ILI9320等驱动器不一样，必须加以注意。

这里指令不在做详细叙述了，正点原子官方网站可以下载。

TFTLCD使用流程如下所示：

任何LCD，使用流程都可以简单的用以上流程图表示:

• 硬复位和初始化序列，只需要执行一次即可。
• 画点流程为：设置坐标 > GRAM指令 > 写入颜色数据，完成后就能在LCD上看到对应的点显示我们写入的颜色了。
• 读点流程为：设置坐标  > 读GRAM指令 > 读取颜色数据，这样就可以获取到对应点的颜色数据了。

以上只是最简单的操作，也是最常用的操作，有了这些操作，一般就可以正常使用TFTLCD了。接下来我们将该模块用来来显示字符和数字，通过以上介绍，我们可以得出TFTLCD显示需要的相关设置步骤如下：

1. 设置STM32与TFT-LCD模块相连接的IO。

这一步，先将我们与TFTLCD模块相连的IO口进行初始化，以便驱动LCD。这里需要根据连接电路以及TFTLCD模块的设置来确定。

     2. 初始化TF-TLCD模块。

这里我们没有硬复位LCD，因为我们将TFT-LCD的RST同STM32的RESET连接在一起了，只要按下开发板的RESET键，就会对LCD进行硬复位。初始化序列，就是向LCD控制器写入一系列的设置值（比如伽马校准），这些初始化序列一般LCD供应商会提供给客户，我们直接使用这些序列即可，不需要深入研究。在初始化之后，LCD才可以正常使用。

    3.通过函数将字符和数字显示到TFT-LCD模块上。

即：设置坐标，写GRAM指令，写GRAM来实现，但是这个步骤，只是一个点的处理，我们要显示字符/数字，就必须要多次使用这个步骤，从而达到显示字符/数字的目标，所以需要设计一个函数来实现数字/字符的显示，之后调用该函数，就可以实现数字/字符的显示了。

     4.TFTLCD模块与IO口的对应关系如下所示。

      5. 软件设计

首先，我们介绍一下lcd.h里面的一个重要结构体:

该结构体用于保存一些LCD重要参数信息，比如LCD的长宽、LCD ID（驱动IC型号）、LCD横竖屏状态等，这个结构体虽然占用了14个字节的内存，但是却可以让我们的驱动函数支持不同尺寸的LCD，同时可以实现LCD横竖屏切换等重要功能，所以还是利大于弊的。

6.ILI93xx.c函数介绍

有了以上了解，下面我们开始介绍ILI93xx.c里面的一些重要函数。

第一个是LCD_WR_DATA函数:该函数在lcd.h里面，通过宏定义的方式申明。该函数通过8080并口向LCD模块写入一个16位的数据，使用频率是最高的，这里我们采用了宏定义的方式，以提高速度。其代码如下

上面函数中的‘\\’是C语言中的一个转义字符，用来连接上下文，因为宏定义只能是一个串，而当你的串过长（超过一行的时候），就需要换行了，此时就必须通过反斜杠来连接上下文。这里的‘\\’正是起这个作用。在上面的函数中，LCD_RS_SET/ LCD_CS_CLR/ LCD_WR_CLR/ LCD_WR_SET/ LCD_CS_SET等是操作RS/CS/WR的宏定义，均是采用STM32的快速IO控制寄存器实现的，从而提高速度。

第二个是：LCD_WR_DATAX函数:该函数在lcd.c里面定义，功能和LCD_WR_DATA一模一样，该函数代码如下：

我们知道，宏定义函数的好处就是速度快（直接嵌到被调用函数里面去了），坏处就是占空间大。在LCD_Init函数里面，有很多地方要写数据，如果全部用宏定义的LCD_WR_DATA函数，那么就会占用非常大的flash，所以我们这里另外实现一个函数：LCD_WR_DATAX，专门给LCD_Init函数调用，从而大大减少flash占用量。

第三个是LCD_WR_REG函数:该函数是通过8080并口向LCD模块写入寄存器命令，因为该函数使用频率不是很高，我们不采用宏定义来做（宏定义占用FLASH较多），通过LCD_RS来标记是写入命令（LCD_RS=0）还是数据（LCD_RS=1）。该函数代码如下：

既然有写寄存器命令函数，那就有读寄存器数据函数。

第四个是LCD_RD_DATA函数：该函数用来读取LCD控制器的寄存器数据（非GRAM数据），该函数代码如下：

以上4个函数，用于实现LCD基本的读写操作。

接下来，我们介绍2个LCD寄存器操作的函数。

第五个是LCD_WriteReg和LCD_ReadReg函数，这两个函数代码如下：

这两个函数函数十分简单，LCD_WriteReg用于向LCD指定寄存器写入指定数据，而LCD_ReadReg则用于读取指定寄存器的数据，这两个函数，都只带一个参数/返回值，所以，在有多个参数操作（读取/写入）的时候，就不适合用这两个函数了。

第六个是坐标设置函数，该函数代码如下：

该函数实现将LCD的当前操作点设置到指定坐标(x,y)。因为不同LCD的设置方式不一定完全一样，所以代码里面有好几个判断，对不同的驱动IC进行不同的设置。

第七个是画点函数。该函数实现代码如下：

该函数实现比较简单，就是先设置坐标，然后往坐标写颜色。其中POINT_COLOR是我们定义的一个全局变量，用于存放画笔颜色，顺带介绍一下另外一个全局变量：BACK_COLOR，该变量代表LCD的背景色。LCD_DrawPoint函数虽然简单，但是至关重要，其他几乎所有上层函数，都是通过调用这个函数实现的。

第八个是读点函数，用于读取LCD的GRAM，这里说明一下，为什么OLED模块没做读GRAM的函数，而这里做了。因为OLED模块是单色的，所需要全部GRAM也就1K个字节，而TFTLCD模块为彩色的，点数也比OLED模块多很多，以16位色计算，一款320×240的液晶，需要320×240×2个字节来存储颜色值，也就是也需要150K字节，这对任何一款单片机来说，都不是一个小数目了。

我们在图形叠加的时候，可以先读回原来的值，然后写入新的值，在完成叠加后，我们又恢复原来的值。这样在做一些简单菜单的时候，是很有用的。这里我们读取TFTLCD模块数据的函数为LCD_ReadPoint，该函数直接返回读到的GRAM值。该函数使用之前要先设置读取的GRAM地址，通过LCD_SetCursor函数来实现。LCD_ReadPoint的代码如下：

在LCD_ReadPoint函数中，因为我们的代码不止支持一种LCD驱动器，所以，根据不同的LCD驱动器（(lcddev.id）型号，执行不同的操作，以实现对各个驱动器兼容，提高函数的通用性。

第9个是字符显示函数LCD_ShowChar，该函数同前面OLED模块的字符显示函数差不多，但是这里的字符显示函数多了一个功能，就是可以以叠加方式显示，或者以非叠加方式显示。叠加方式显示多用于在显示的图片上再显示字符。非叠加方式一般用于普通的显示。该函数实现代码如下：

在LCD_ShowChar函数里面，我们采用快速画点函数LCD_Fast_DrawPoint来画点显示字符，该函数同LCD_DrawPoint一样，只是带了颜色参数，且减少了函数调用的时间，详见本例程源码。该代码中我们用到了三个字符集点阵数据数组asc2_2412、asc2_1206和asc2_1608。

第十个是TFTLCD模块的初始化函数LCD_Init，该函数先初始化STM32与TFTLCD连接的IO口，然后读取LCD控制器的型号，根据控制IC的型号执行不同的初始化代码，其简化代码如下：

该函数先对STM32与LCD连接的相关IO进行初始化，之后读取LCD控制器型号(LCD ID)，根据读到的LCD ID，对不同的驱动器执行不同的初始化代码，其中else if(lcddev.id==0xXXXX)，是省略写法，实际上代码里面有十几个这种else if结构，从而可以支持十多款不同的驱动IC执行初始化操作，这样大大提高了整个程序的通用性。大家在以后的学习中应该多使用这样的方式，以提高程序的通用性、兼容性。

注意：本函数使用了printf来打印LCD ID，所以，如果你在主函数里面没有初始化串口，那么将导致程序死在printf里面！！如果不想用printf，那么请注释掉它。

接下来，看看主函数代码：

四、TFTLCD触摸屏实验

1.原理简介

我们将介绍如何使用STM32来驱动触摸屏，NUCLEO-L476RG开发板本身并没有触摸屏控制器，但是它支持触摸屏，可以通过外接带触摸屏的LCD模块（比如ALIENTEK TFTLCD模块），来实现触摸屏控制。

在本章中，我们将向大家介绍STM32控制ALIENTKE TFTLCD模块（包括电阻触摸与电容触摸），实现触摸屏驱动，最终实现一个手写板的功能。

• 电阻式触摸屏利用压力感应进行触点检测控制，需要直接应力接触，通过检测电阻来定位触摸位置。
• 电容屏是利用人体感应进行触点检测控制，不需要直接接触或只需要轻微接触，通过检测感应电流来定位触摸坐标。

电阻触摸屏的优点：精度高、价格便宜、抗干扰能力强、稳定性好。 电阻触摸屏的缺点：容易被划伤、透光性不太好、不支持多点触摸。

电容触摸屏的优点：手感好、无需校准、支持多点触摸、透光性好。 电容触摸屏的缺点：成本高、精度不高、抗干扰能力差。

注意：这里特别提醒大家电容触摸屏对工作环境的要求是比较高的，在潮湿、多尘、高低温环境下面，都是不适合使用电容屏的。

XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置， 除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带2.5V参考电压可以作为辅助输入、温度测量和电池监测模式之用，电池监测的电压范围可以从0V到6V。XPT2046片内集成有一个温度传感器。 在2.7V的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小于0.75mW。XPT2046采用微小的封装形式：TSSOP-16,QFN-16(0.75mm厚度)和VFBGA－48。工作温度范围为-40℃～+85℃。 该芯片完全是兼容ADS7843和ADS7846的，关于这个芯片的详细使用，可以参考这两个芯片的datasheet。

2.功能简介

开机的时候先初始化LCD，读取LCD ID，随后，根据LCD ID判断是电阻触摸屏还是电容触摸屏，如果是电阻触摸屏，则先读取flash的数据判断触摸屏是否已经校准过，如果没有校准，则执行校准程序，校准过后再进入电阻触摸屏测试程序，如果已经校准了，就直接进入电阻触摸屏测试程序。

电阻触摸屏测试程序和电容触摸屏测试程序基本一样，只是电容触摸屏支持最多5点同时触摸，电阻触摸屏只支持一点触摸，其他一模一样。测试界面的右上角会有一个清空的操作区域（RST），点击这个地方就会将输入全部清除，恢复白板状态。

3.硬件设计

所有这些资源与STM32的连接图，在前面都已经介绍了，这里我们只针对TFTLCD模块与STM32的连接端口再说明一下，TFTLCD模块的触摸屏（电阻触摸屏）总共有5根线与STM32连接，连接电路图如下所示：

4.软件设计

打开工程可以发现，我们在工程中添加了touch.c、touch.h等文件，并保存在Drive分组下面。其中，touch.c和touch.h是电阻触摸屏部分的代码。顺带兼电容触摸屏的管理控制，其他则是电容触摸屏部分的代码。

打开touch.c文件，在里面输入与触摸屏相关的代码（主要是电阻触摸屏的代码），这里我们也不全部贴出来了，仅介绍几个重要的函数。 首先我们要介绍的是TP_Read_XY2这个函数，该函数专门用于从电阻式触摸屏控制IC读取坐标的值（0~4095），TP_Read_XY2的代码如下：

该函数采用了一个非常好的办法来读取屏幕坐标值，就是连续读两次，两次读取的值之差不能超过一个特定的值（ERR_RANGE），通过这种方式，我们可以大大提高触摸屏的准确度。另外该函数调用的TP_Read_XY函数，用于单次读取坐标值。TP_Read_XY也采用了一些软件滤波算法，具体见源码。接下来，我们介绍另外一个函数TP_Adjust，该函数源码如下：

TP_Adjust是此部分最核心的代码，在这里，给大家介绍一下我们这里所使用的触摸屏校正原理：我们传统的鼠标是一种相对定位系统，只和前一次鼠标的位置坐标有关。而触摸屏则是一种绝对坐标系统，要选哪就直接点哪，与相对定位系统有着本质的区别。绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏这套坐标在同一点的输出数据是稳定的。不过由于技术原理的原因，并不能保证同一点触摸每一次采样数据相同，不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕出现的问题：漂移。对于性能质量好的触摸屏来说，漂移的情况出现并不是很严重。所以很多应用触摸屏的系统启动后，进入应用程序前，先要执行校准程序。 通常应用程序中使用的LCD坐标是以像素为单位的。比如说：左上角的坐标是一组非0的数值，比如（20，20），而右下角的坐标为（220，300）。这些点的坐标都是以像素为单位的，而从触摸屏中读出的是点的物理坐标，其坐标轴的方向、XY值的比例因子、偏移量都与LCD坐标不同，所以，需要在程序中把物理坐标首先转换为像素坐标，然后再赋给POS结构，达到坐标转换的目的。

校正思路：在了解了校正原理之后，我们可以得出下面的一个从物理坐标到像素坐标的转换关系式： LCDx=xfacPx+xoff； LCDy=yfacPy+yoff；

其中(LCDx,LCDy)是在LCD上的像素坐标，（Px,Py）是从触摸屏读到的物理坐标。xfac，yfac分别是X轴方向和Y轴方向的比例因子，而xoff和yoff则是这两个方向的偏移量。

这样我们只要事先在屏幕上面显示4个点（这四个点的坐标是已知的），分别按这四个点就可以从触摸屏读到4个物理坐标，这样就可以通过待定系数法求出xfac、yfac、xoff、yoff这四个参数。我们保存好这四个参数，在以后的使用中，我们把所有得到的物理坐标都按照这个关系式来计算，得到的就是准确的屏幕坐标。达到了触摸屏校准的目的。

TP_Adjust就是根据上面的原理设计的校准函数，注意该函数里面多次使用了lcddev.width和lcddev.height，用于坐标设置，主要是为了兼容不同尺寸的LCD（比如320x240、480x320和800x480的屏都可以兼容）。

接下来看看触摸屏初始化函数：TP_Init，该函数代码如下：

该函数比较简单，重点说一下：tp_dev.scan，这个结构体函数指针，默认是指向TP_Scan的，如果是电阻屏则用默认的即可。

上述代码，我们重点看看_m_tp_dev结构体，这个结构体用于管理和记录触摸屏（包括电阻触摸屏与电容触摸屏）相关信息。通过结构体，在使用的时候，我们一般直接调用tp_dev的相关成员函数/变量屏即可达到需要的效果，这种设计简化了接口，且方便管理和维护。

下面分别介绍一下三个重要的函数。

• 电阻屏测试函数：

rtp_test，该函数用于电阻触摸屏的测试，该函数代码比较简单，就是扫描触摸屏，如果触摸屏有按下，则在触摸屏上面划线，如果按中“RST”区域，则执行清屏。

• 主函数：

main函数，则比较简单，初始化相关外设，然后去选择执行rtp_test。

5.功能实现

手写板展示效果图：