STM32F103C8T6驱动ST7735 TFT LCD彩屏实战教程

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简介：本教程介绍了如何使用STM32F103C8T6微控制器，配合HAL库和软件SPI技术，来驱动1.8寸ST7735 TFT LCD彩屏。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，而HAL库提供了一种统一的编程模型，简化了微控制器间的代码移植。软件SPI通过GPIO模拟SPI协议，适用于硬件资源有限的场景。ST7735是TFT LCD屏的驱动芯片，需要通过SPI接口来控制显示。教程涵盖了从配置SPI接口到编写发送像素数据和控制命令的函数，最后更新屏幕内容以实现动态显示的完整过程。通过本教程，开发者可以深入学习STM32的编程、SPI接口以及LCD显示屏的驱动原理。 STM32F103C8T6HAL库+软件SPI+1.8寸ST7735TFT LCD彩屏驱动程序

1. STM32F103C8T6微控制器简介

1.1 STM32F103C8T6概述

STM32F103C8T6是STMicroelectronics（意法半导体）生产的一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器。它结合了丰富的I/O接口、高性能模拟功能和增强型通信接口，适用于各种应用领域，如工业控制、医疗设备、安全系统等。

1.2 核心特性分析

核心架构 ：Cortex-M3，32位RISC核心，工作频率72MHz。
存储能力 ：64KB闪存，20KB SRAM。
丰富的外设接口 ：包括两个I2C、三个SPI、两个I2S、五个USART、USB接口等。
模拟接口 ：具有两个DAC（数字模拟转换器），12位精度。
电源效率 ：低功耗模式，包括睡眠、停止和待机模式。

1.3 开发环境搭建

软件支持 ：需要安装Keil MDK-ARM、IAR EWARM或STM32CubeMX等集成开发环境。
硬件要求 ：需要一块STM32F103C8T6开发板，以及相应的编程器/调试器，例如ST-Link。

STM32F103C8T6因其性能优秀、成本合理以及丰富的资源被广泛应用于嵌入式系统的开发。接下来的章节将深入介绍其编程技术以及如何应用其功能特性。

2. HAL库编程接口应用

2.1 HAL库的基本概念和功能

2.1.1 HAL库的定义和作用

HAL库（Hardware Abstraction Layer）是ST公司提供的一种硬件抽象层库，用以简化嵌入式开发者的硬件操作，其主要目的是为STM32系列微控制器提供一个通用的编程接口。HAL库封装了底层硬件细节，允许开发者通过调用高级函数接口来控制硬件，无需关心寄存器的具体配置和操作。HAL库的使用降低了STM32的编程难度，提高了代码的可移植性和重用性。

2.1.2 HAL库与传统库的区别和联系

传统库（Standard Peripheral Library, SPL）直接操作硬件寄存器来实现功能，而HAL库则是提供了一层额外的抽象，使得硬件操作对开发者更友好。相比传统库，HAL库在一些方面做了优化和改进： - 可移植性 ：HAL库提供了一套标准的API接口，有助于在不同的STM32微控制器之间迁移代码。 - 配置管理 ：HAL库支持图形化配置工具STM32CubeMX，简化了项目设置和代码初始化的过程。 - 事件处理 ：HAL库采用了事件和回调函数机制，使得异步事件处理变得更为灵活和高效。 - 代码结构 ：HAL库的代码更加模块化，易于理解和维护。

尽管HAL库在许多方面都优于传统库，但在一些性能敏感的场合或者资源受限的项目中，传统库由于其直接操作硬件的优势，可能会是更合适的选择。总体而言，HAL库的出现是STM32开发中的一次重大进步，它有助于提升开发效率和软件质量。

2.2 HAL库的配置和使用方法

2.2.1 HAL库的配置步骤和注意事项

使用HAL库的第一步是安装和配置开发环境，这包括安装STM32CubeIDE或Keil MDK等支持STM32的集成开发环境（IDE）。接下来，通过STM32CubeMX工具可以快速设置项目参数，包括选择芯片型号、配置外设参数、生成初始化代码等。

使用HAL库时，以下是一些重要的配置步骤和注意事项：

项目设置 ：确保IDE的项目设置正确，包括CPU时钟、堆栈大小和程序存储位置等。
时钟配置 ：通过HAL库函数或STM32CubeMX工具合理配置时钟系统，确保CPU和外设工作在合适的时钟频率下。
外设初始化 ：使用HAL库提供的初始化函数配置外设，如GPIO、ADC、TIM等。
中断管理 ：配置中断优先级，并编写中断服务程序（ISR）。
低功耗模式 ：根据项目需求配置低功耗模式，如睡眠、待机等。

注意事项包括：

在使用HAL库函数时，需要仔细阅读其文档，以了解函数的作用、参数和返回值。
在多任务环境中，注意HAL库函数可能不是线程安全的，特别是在使用中断回调函数时。
考虑到性能和资源限制，合理使用HAL库中的API，避免不必要的开销。

2.2.2 HAL库函数的调用和参数设置

HAL库函数的调用相对直观，通常遵循统一的命名规则，比如 HAL_GPIO_ReadPin() 用于读取GPIO引脚的状态。在调用函数时，需要关注以下几个方面：

函数参数 ：正确设置函数参数是调用HAL库函数的关键。例如，在配置ADC时，需要指定采样时间、通道、分辨率等参数。
返回值 ：大多数HAL库函数都有返回值，用以指示函数调用是否成功。
回调函数 ：HAL库利用回调函数来处理异步事件，例如在HAL_UART_RxCpltCallback()中处理接收到的数据。

以下是一个简单的GPIO配置和读取示例：

// 初始化GPIO为输入模式
void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  // 启用GPIO时钟
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  // 配置GPIO的模式和速率
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 读取GPIO状态
uint8_t Read_GPIOPinStatus(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
}

在上述代码中，首先通过 MX_GPIO_Init() 函数对GPIOA端口的第1引脚进行了初始化设置，设置为输入模式，无上下拉。然后在 Read_GPIOPinStatus() 函数中，通过 HAL_GPIO_ReadPin() 函数读取该引脚的状态。

理解并掌握HAL库函数的使用对于进行STM32开发至关重要，它直接影响项目的功能实现和性能表现。因此，开发人员需要深入学习HAL库的各个函数和相关的配置技巧。

3. 软件SPI实现方法

软件SPI提供了一种在没有硬件SPI模块或引脚时，通过软件模拟的方式来实现SPI通信的方法。本章将深入探讨软件SPI的基本原理，分析其与硬件SPI的区别，并详细说明如何在STM32平台上通过软件实现SPI协议。

3.1 软件SPI的基本原理

3.1.1 SPI协议的基本概念和特点

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的通信总线。它使用四条线进行通信：主设备的MISO（主设备输入/从设备输出）、MOSI（主设备输出/从设备输入）、SCK（时钟信号）和CS（片选信号）。SPI通信协议的几个关键特点如下：

主从模式：SPI通信通常是主从模式，一个主设备可以控制多个从设备。
双向数据传输：数据可以在主设备和从设备之间双向传输。
全双工通信：SPI允许同时进行数据的发送和接收。
时钟极性和相位：根据配置，SPI可以有四种时钟模式（CPOL和CPHA），以适应不同设备的时钟需求。

3.1.2 软件SPI与硬件SPI的区别和优势

软件SPI相较于硬件SPI模块，具有以下几个优势：

灵活性：软件SPI完全由程序控制，可以通过编写代码灵活地改变通信参数。
资源节约：当微控制器没有足够的硬件SPI模块或引脚时，可以使用通用I/O口实现SPI通信。
成本节约：在某些情况下，软件SPI可以减少对硬件的依赖，降低设计成本。

然而，软件SPI也有局限性：

性能：软件实现通常比硬件慢，对时序要求较高的应用可能不适用。
CPU负载：软件SPI会占用更多CPU资源，可能会增加主程序的负担。

3.2 软件SPI的实现步骤

3.2.1 软件SPI的软件设计思路和实现方法

设计软件SPI的基本思路是模拟硬件SPI的工作过程。我们需要定义三个关键的操作：发送数据、接收数据和时钟控制。以下是软件实现SPI的基本步骤：

初始化GPIO口：将用于SPI通信的GPIO口配置为输出（MOSI、SCK）和输入（MISO）模式。
片选控制：实现片选信号的控制逻辑，确保在通信之前片选信号是低电平，并在通信结束后恢复。
时钟信号：模拟时钟信号（SCK），可以使用延时函数来控制时钟频率。
数据传输：在时钟信号的每个边沿，通过MOSI发送数据位，并从MISO读取数据位。
同步：确保在数据的发送和接收过程中保持同步。

3.2.2 软件SPI的代码实现和调试技巧

在STM32平台上，我们使用HAL库提供的函数来配置GPIO，实现软件SPI。以下是一个简单的软件SPI发送函数的实现示例：

void SoftSPI_Transmit(uint8_t data)
{
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        // 拉低时钟信号
        HAL_GPIO_WritePin(SCK_GPIO_Port, SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        // 设置数据位到MOSI
        if (data & 0x80) // 检查最高位
            HAL_GPIO_WritePin(MOSI_GPIO_Port, MOSI_Pin, GPIO_PIN_SET);
        else
            HAL_GPIO_WritePin(MOSI_GPIO_Port, MOSI_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        data <<= 1; // 左移数据位
        // 拉高时钟信号，产生上升沿
        HAL_GPIO_WritePin(SCK_GPIO_Port, SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
        // 等待一个时钟周期
        HAL_Delay(1);
    }
}

以上代码段描述了如何将一个字节的数据通过软件模拟SPI的方式发送出去。需要注意的是， HAL_Delay(1) 函数用于控制时钟信号的频率，但这种方法在实际中可能会引起时序不准的问题。在精确的时序要求下，建议使用更精确的定时器来控制时钟信号。

为了调试软件SPI，可以采用以下几种技巧：

使用逻辑分析仪检测SPI总线的信号，确保时序正确。
在关键的代码段前后添加断点，检查数据和信号的状态。
使用调试打印函数输出数据和时序信息，辅助分析问题所在。

在调试过程中，特别注意数据的对齐和时钟信号的准确性。软件SPI的实现需要精确控制时序，任何小小的延时都可能影响到通信的可靠性。因此，需要不断优化代码，以确保软件SPI可以稳定运行。

请注意，软件SPI适用于对通信速度和可靠性要求不是特别高的场合，或者是没有硬件SPI模块可用的情况。在实际项目中，需要根据具体需求选择合适的实现方式。

4. ST7735 TFT LCD彩屏特点及驱动技术

4.1 ST7735彩屏的基本特性

4.1.1 ST7735彩屏的工作原理和技术参数

ST7735 是一款广泛应用于嵌入式系统的 TFT LCD 彩色显示屏，它主要由像素阵列、数据/控制驱动器、电源管理电路和时序控制电路等部分组成。ST7735 通过微控制器来控制显示的色彩、亮度和对比度等参数，实现图像的准确显示。

该彩屏采用 SPI 或 8/16 位并行接口进行数据通信，其中 SPI 接口利用较少的引脚实现高速数据传输，适合于资源受限的系统设计。其内部集成了 LCD 驱动器，支持多种颜色显示模式，包括单色、伪彩、全彩等，可根据具体的应用场景灵活使用。

ST7735 彩屏的技术参数如分辨率、色彩深度和对比度等，决定了其在应用中所能呈现的图像质量。典型的 ST7735 模块具备 128x160 像素的分辨率，并支持 65K 色，足以满足大多数便携式设备显示需求。此外，ST7735 通常具有较宽的视角和较高的亮度，从而保证了在不同环境下都能有良好的可视效果。

在设计使用 ST7735 时，重要的是理解其技术参数，如刷新率、电源电压以及接口的通信协议，这些参数对确保显示效果和系统稳定性至关重要。

4.1.2 ST7735彩屏的应用领域和优势

ST7735 彩屏广泛应用于手持设备、智能家居、车载显示、医疗设备以及工业控制等领域。由于其尺寸小、功耗低、成本效益高，它成为了很多小型嵌入式系统设计的首选显示解决方案。

ST7735 的优势在于其简单的接口和驱动方式，让嵌入式工程师能够快速集成到自己的产品中。同时，由于 ST7735 提供了丰富的显示模式和色彩选择，它可以为用户提供丰富多彩的视觉体验。

除此之外，ST7735 还具备非常灵活的布局设计，可根据需要定制不同形状和尺寸的显示屏。其较低的功耗设计使其特别适用于电池供电的便携式设备，如电子手表、健康监测器等。

4.2 ST7735彩屏的驱动技术

4.2.1 ST7735彩屏的驱动方法和步骤

驱动 ST7735 彩屏通常需要遵循以下步骤：

初始化微控制器与 ST7735 的通信接口。
发送初始化命令序列来配置 ST7735 的显示参数。
根据需要加载图像数据以实现显示内容的更新。

具体实现中，首先是配置 SPI 接口的相关参数，如时钟速率、时钟极性和相位等。然后，发送一系列特定的命令给 ST7735，这些命令包括显示屏的开关、像素格式设置、显示方向配置等。在完成初始化之后，即可通过发送图像数据来控制屏幕的显示内容。

这里是一个简化的代码示例，展示如何初始化 ST7735 显示屏：

// SPI初始化代码略...
// 命令发送函数
void ST7735_SendCommand(uint8_t cmd) {
    // 配置SPI接口为命令模式
    // 发送命令数据
}

// 初始化ST7735显示屏
void ST7735_Init() {
    ST7735_SendCommand(0x11); // Sleep out
    // 更多初始化命令...
    ST7735_SendCommand(0x29); // Display on
}

int main() {
    ST7735_Init();
    // 显示内容的更新代码略...
    while (1) {
        // 主循环，更新显示内容
    }
}

4.2.2 ST7735彩屏的驱动代码实现和调试技巧

在具体编写代码时，重要的是详细查阅 ST7735 的数据手册，了解所有可用的初始化命令和它们的参数。编写驱动时，务必按照手册中的步骤来设置寄存器的值，因为任何小的错误都可能导致显示不正确。

调试 ST7735 驱动程序时，可以使用串行监视器来打印调试信息，确保每一步骤的命令都按预期发送。在硬件上，使用示波器或逻辑分析仪监测 SPI 通信信号，可以帮助发现通信中的问题。

此外，开发过程中，建议分阶段进行调试，例如先完成初始化后再尝试发送简单的测试图案，然后逐步实现图形和文字的显示。这样可以逐步定位问题，确保驱动开发的正确性。

总之，ST7735 的驱动开发是整个显示系统设计的重要部分，它直接影响着最终用户的视觉体验。因此，需要对 ST7735 的技术参数和工作原理有深入理解，并且在实践中不断优化和调试代码，以达到最佳显示效果。

5. STM32编程技能与SPI及LCD原理学习

5.1 STM32的编程技能提升

5.1.1 STM32编程的常见问题和解决方法

在STM32微控制器的编程过程中，开发者可能会遇到各种常见问题。例如，初始化时序的配置错误可能导致外设无法正常工作，或是中断优先级设置不当引发不可预测的中断响应。解决这些问题的关键在于熟悉STM32的硬件架构、掌握HAL库的使用方法，以及编写清晰的代码逻辑。

为了快速诊断和解决这些问题，使用调试工具如ST-Link和IDE环境内的调试器，能够设置断点、观察变量和寄存器状态。利用串口打印调试信息也是快速定位问题的有效手段。

// 串口打印调试信息示例代码
void log_error(char *msg) {
    // 将错误信息通过串口发送出去
    printf("ERROR: %s\n", msg);
}

5.1.2 STM32编程的高级应用和技巧

随着开发技能的提升，开发者能够利用STM32实现更加复杂的项目。例如，使用DMA（直接内存访问）技术减少CPU负载、利用RTOS（实时操作系统）进行任务调度，或通过定时器实现精确的时间控制。

在编程高级应用时，多任务处理和中断管理变得尤为重要。使用状态机设计模式可以更好地管理多个任务的状态转换，确保程序的逻辑清晰和运行稳定。

// 状态机设计模式示例伪代码
typedef enum {
    STATE_IDLE,
    STATE_PROCESSING,
    STATE_DONE,
    // 其他状态定义
} StateMachine;

StateMachine state = STATE_IDLE;

void update_machine() {
    switch (state) {
        case STATE_IDLE:
            // 空闲状态逻辑
            break;
        case STATE_PROCESSING:
            // 处理状态逻辑
            break;
        case STATE_DONE:
            // 完成状态逻辑
            state = STATE_IDLE; // 处理完成后返回空闲状态
            break;
        // 其他状态的处理逻辑
    }
}

5.2 SPI和LCD的原理和应用

5.2.1 SPI和LCD的基本原理和特点

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的全双工通信总线，广泛应用于微控制器和各种外围设备之间的通信。SPI的特点包括简单的四线接口、支持多个从设备和较高的传输速率。

LCD（Liquid Crystal Display）是一种显示技术，ST7735 TFT LCD是一种广泛使用的彩色显示屏，具有宽视角、低功耗和高分辨率等特点。ST7735 LCD通过SPI或并行接口与微控制器连接，显示数据和图像。

5.2.2 SPI和LCD在实际项目中的应用和实现技巧

在实际的项目中，结合STM32和SPI接口的LCD显示屏可以构建丰富的用户界面和动态显示系统。开发者需要根据具体的硬件连接方式配置SPI参数，并且编写相应的驱动程序来初始化和控制LCD。

为了优化显示效果和性能，可以采取以下技巧： - 合理分配显示缓冲区，减少对LCD的频繁写操作。 - 使用DMA传输显示数据，减少CPU干预。 - 根据显示内容动态调整背光亮度，以达到节能效果。

// SPI初始化示例代码
void spi_init() {
    // 配置SPI时钟速率、数据格式、时序等参数
    // HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

// LCD初始化示例代码
void lcd_init() {
    // 发送初始化序列给LCD，设置显示模式、方向等
    // SPI_Transmit(&hspi1, init_sequence, sizeof(init_sequence));
}

通过上述介绍，我们可以看到STM32编程技能的提升以及对SPI和LCD原理的掌握对于开发高级应用程序的重要性。下一章将深入探讨如何将这些技能应用到实际项目中，实现更加复杂和高效的设计。

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