显示屏 LM3033（ST7920主控）

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简介

这是常用的单色液晶 LCD 显示屏。

  • 型号为 LM3033DFW（深圳拓普微）
  • 5V 单电源供电（3.3V不可以，对比度会降低到看不清）
  • 支持并口（8080时序）和串行通讯（SPI）
  • 带字库

框图为：
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对外通过 20 Pin 排针提供接口：

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并行接口原理图：
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串行接口原理图：
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对于 CS 引脚，绝大多数情况下都建议用 I/O 口控制。这里之所以直接拉高，是因为数据手册中有明确说明。请添加图片描述

建议在将 CS 引脚设置为 低电平 前，将 SCLK 引脚保持为 低电平 ，将 SID 引脚保持在 最后一个电平状态 。对于只有一个 ST7920 和一个 MPU 的最小系统，只需要 SCLK 和 SID 引脚。 CS 引脚应拉高。

电器参数

直流特性

拓普威厂家提供的整机数据手册：
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ST7920芯片厂家提供的数据手册：
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这些参数有什么用？

2021 年 12 月，车间反馈其生产的 某设备，出现大量的花屏现象，故障率高达 20% 以上。

  • 排除程序初始化问题
  • 排除接插件涂三防漆接触不良问题
  • 使用示波器观察 SPI 通讯波形，波形时序正确

LCD 是 5V 供电，但单片机使用 3.3V 供电，所以 LCD 的 SPI 通讯接口实际是使用 3.3V 驱动的。

根据手册可知，若 5V 供电，SPI 通讯接口需要的高电平为 0.7 * VDD = 3.5V，单片机引脚最高输出 3.3V ，已经不符合数据手册要求。而经过测量，发生故障的 LCD 供电电压实际达到了5.36V，即显示屏至少需要 3.75V 才能可靠的识别为高电平。换句话说，单片机发送的高电平，LCD 已经不能识别了，所以导致了花屏现象。

经过批量测试，这一批电源的 5V 输出，实际电压在5.15 V ~ 5.38 V 之间，而大于 5.3 V 后，就容易花屏。

所有花屏的设备，将 LCD 供电电压降到 4.8V 后，都恢复了正常。

5V 输出电压为什么波动这么大？

5V 输出电源是使用 LM2674 芯片设计的，其中确定输出电压的电阻精度使用的是 5%精度，这导致大批量生产时，输出电压偏差较大。

显示屏主控

主控采用了 ST7920。驱动编程需要仔细研读该芯片数据手册，下面结合具体例子看一下数据手册中的重点内容。

重复代码有大作用？

2010 年我接手了一个项目，里面有一段代码比较奇怪：对 LCD 的初始化之后，连续调用了 4 次显示内容函数 WriteTextScreen ：

	// LCD 初始化initLCDM();SdCmd(0x30);          				// 8bit I/F, basic command, graphic offSdCmd(0x01);          				// clr text screen // 显示内容，注意这里连续调用了四次相同的函数WriteTextScreen(dispLCD);WriteTextScreen(dispLCD);WriteTextScreen(dispLCD);WriteTextScreen(dispLCD);

我觉得这样写不对，就去掉了其中 3 个，结果显示立马异常：会花屏！恢复后，显示正常。

离奇！
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根据温伯格离奇定律：

如果觉得一件事情离奇，大概率只是你眼界不够。

我决定到数据手册中寻找原因。通过阅读数据手册发现，当 LCD 主频为 540KHz 时，清屏命令（0x01）需要 1.6ms 的执行时间。
在这里插入图片描述而上面的代码在发出清屏命令 SdCmd(0x01) 后，紧接着就调用了显示函数，中间没有任何延时，这就导致显示函数发送的数据没有得到完全执行，从而引起了花屏现象。

指令的执行需要时间！

在这里插入图片描述

向 ST7920 传输多个指令/数据时，**必须考虑指令执行时间。MPU 必须等待上次指令完成，才能发送下一条指令。**ST7920 内部没有指令缓冲区。(Datasheet - Serial Interface P26)

花屏

某年的11月份，为了降低 LCD 刷屏时间，我将 LCD SPI 接口的速率由 400KHz 提高到了 800KHz。程序通过了自测、中式，然后下发给车间生产。几个月之后，车间负责人打电话说，发现这批次的 LCD 屏幕有小概率会花屏。他们测试了 50 块显示屏，其中有 6 块会花屏。

进一步测试发现，花屏与温度有关，现在是夏天，室温达到了30多摄氏度，出现了花屏。

温度影响了什么地方，导致花屏呢？

根据上面的例子，我们已经知道了一个可能：LCD 显示屏来不及执行指令，可能会花屏。

设计程序验证假设：找到一个会花屏的 LCD，保持 SPI 主频不变的情况下，在指令与指令之间增加延时，发现花屏现象消失，即便放到 60℃ 的高温箱也不会花屏，但只要去掉指令与指令之间的延时，就会花屏。

这验证了我们的假设，即指令来不及执行。

这说明 LCD 屏的主频有了较大的波动。查看数据手册，主频大小由 OSC1 和 OSC2 引脚间的电阻决定，其关系为：
在这里插入图片描述
LM3033 显示屏使用的电阻是 24K 欧姆，根据电阻丝印推测是 5% 精度。

这个电阻会随温度和批次变化，温度升高，电阻阻值变大（金属薄膜电阻），当电阻实际值比 24K 大时，LCD 的主频会降低，执行指令的时间会增加，这样就会造成 LCD 屏来不及执行指令而产生花屏。

令人震惊的耗时

写满屏汉字大约多少时间？

一次非规程序更新之后，客户反馈只要操作菜单界面，设备就会断电！断电是因为设备判断接入的传感器发生了故障，传感器故障会引起分站断电。

实际测试发现，传感器通讯数据正常，是设备误判了。之所以会误判，是因为在菜单中某个函数运行很耗时，导致处理传感器数据时，已经触发了通讯超时条件。之前之所以没有问题，是因为之前要连续发生 3次 超时，才认为是真的发生超时故障，而这个非规程序为了提高故障断电响应速度，将 3 次判断条件改为了 1 次。

测量了菜单中涉及的函数，发现显示一行汉字只需要 0.88ms。

在这里插入图片描述
但是将焦点反白下移一行（上图黑底区域），需要 138ms！

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这时间耗在哪里？是怎么耗掉的？

在这里插入图片描述

启动传输时，需要先发送一个起始字节，用于同步和指示读/写和选择寄存器/数据。后续的每 1 个字节都被分成 2 部分传输：高 4 位和低 4 位。

所以每发送 1 字节命令或数据， 实际需要发送 3 字节！

一般的芯片都有块写和块读功能，即设置一个起始地址后，就可以一直写数据或者读数据。而这个芯片则是每 1 个字节都要分成 3 字节传输，没有第二个选项。
在这里插入图片描述

怪异的显示

代码：

uint8_t full_screen_buf[] = {"这是测试第一行  ""这是测试第二行  ""这是测试第三行  ""这是测试第四行  "
};
WriteTxtAny(1, 1, full_screen_buf);             //满屏显示

得到的显示结果却是：
在这里插入图片描述
？？？
在这里插入图片描述
原因在于主控最多只能显示 16 个汉字 x 2 行，但被按照 8 个汉字 x 4 行来显示。

在这里插入图片描述

LCD 显示范围是 16 汉字 x 2 行。

在这里插入图片描述
这种显示方式，给我们编程带来了麻烦，但是硬件容易实现啊，又不是不能用，你们凑合一点吧。

莫名其妙的乱码

代码：

WriteTxtAny(2, 1, "123我会显示乱码");

代码执行结果是：
在这里插入图片描述
？？？
在这里插入图片描述原因是 CGRAM 字体和 CGROM 字体只能显示在每个地址的起始位置！

在这里插入图片描述

奇怪的地址表示（现有驱动）

代码：

con_disp_16(0x81, 0x90, 2, 1);                  //第2行第2列反白2个汉字区域    
con_disp_16(0x8D, 0x80, 2, 1);                  //第3行第6列反白2个汉字区域

是为了在 LCD 上显示两处反白：
在这里插入图片描述
道理我都明白，可这一堆数字是什么鬼？？？

我只是想做个显示界面而已！！！
在这里插入图片描述
要想明白 0x81、0x8F、0x8D、0x80，需要看手册关于图形 RAM 的设置。

在这里插入图片描述
现有的驱动程序：

与具体硬件耦合在一起，不是模块化代码，移植不方便

代码中有不明意义的数字（魔术数）：

LCD_SSP->DR = 0xF8;
LCD_SSP->DR = 0xFA;
write_com(0x01);
write_com(0x06);
write_com(0x0C);
write_com(0x30);
write_com(0x34);
write_com(0x36);

这些垃圾代码是从哪里来的？

答案是：拓扑微官网 提供的范例。

ST7920 模块化代码

编译器需使能 -C99

代码结构：
在这里插入图片描述
其中：

  • lcd_func.h：模块的接口，对外提供的 API 函数
  • lcd_func.c：接口的实现，依赖的函数（以弱引用修复符 __weak 修饰）
  • lcd_func_cfg.h：默认配置和跨编译器相关特性

需要一个用户配置头文件 app_lcd_func_cfg.h ，用于根据自身应用特性来自定义配置和编译器相关特性。

使用方法：

  1. 查看模块代码是否是只读属性，如果不是，将它们设置为只读的。
  2. 将模块化代码加入工程
  3. 编写硬件相关驱动（函数名和参数已预先指定）
  4. 设置用户配置参数
  5. 调用模块 API 函数，完成指定功能

模块只读属性，意味着用户不能修改模块，如果想添加新特性或者修改 BUG ，需向模块维护者提交申请。

驱动包给出了一个在 Keil 平台下的用户配置文件 app_lcd_func_cfg.h，就连相关的硬件驱动，我也给出了公司内部常用 CPU 驱动代码，包括硬件 SPI 和软件 SPI， 可以说是贴心的喂到了嘴边！

在这里插入图片描述
1.意义不明的魔数

修改前：

LCD_SSP->DR = 0xF8;
LCD_SSP->DR = 0xFA;write_com(0x01);
write_com(0x06);
write_com(0x0C);
write_com(0x30);
write_com(0x34);
write_com(0x36);

修改后，用合理命名的宏来代替魔数，用合理命名的函数名来描述行为功能，遵循代码自描述原则：

#define SERIAL_MODE_WRITE_INSTRUCTION_CODE  0xF8 
#define SERIAL_MODE_WRITE_DATA_CODE         0xFA
lcd_send_data(SERIAL_MODE_WRITE_INSTRUCTION_CODE);
lcd_send_data(SERIAL_MODE_WRITE_DATA_CODE);clear_ddram();
set_ac_direction(LCD_AC_INCREASED);
display_control(LCD_DESPLAY_ON, LCD_CURSOR_OFF, LCD_BLINK_OFF);
enable_basic_instruction();
enable_extended_instruction();
graphic_display_on();

2.满屏显示例子

修改前：

WriteTxtAny(1, 1, full_screen_buf);             //满屏显示

修改后：

disp_txt_by_specify_location(LCD_ROW_1, LCD_COLUMN_1, full_screen_buf);

修改后的代码更清晰，显示所见即所得，比如上面那个满屏显示的例子：

uint8_t full_screen_buf[] = {"这是测试第一行  ""这是测试第二行  ""这是测试第三行  ""这是测试第四行  "
};

原来代码第二行和第三行在显示屏上是颠倒的，但是用新的驱动程序，显示和代码是一致的，而且可以实现自动换行的功能。模块内部将原驱动怪异的显示进行了修正，将复杂处理隐藏起来，给出的接口是易用的、不违反常规的。

3.反白例子

修改前：

con_disp_16(0x81, 0x90, 2, 1);                  //第2行第2列反白2个汉字区域    
con_disp_16(0x8D, 0x80, 2, 1);                  //第3行第6列反白2个汉字区域

修改后，统一坐标系，隐藏了不必要的地址信息，提供简洁的 API 接口：

disp_backlight(LCD_ROW_2, LCD_COLUMN_2, 2);     //第2行第2列反白2个汉字区域    
disp_backlight(LCD_ROW_3, LCD_COLUMN_6, 2);     //第3行第6列反白2个汉字区域





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