一、实验目的

1、了解I2C协议的基本原理和时序协议；

2、掌握0.96寸OLED屏的工作原理，汉字点阵显示原理；

3、掌握开源GUI库U82G在stm32上的移植编译方法，以及图形界面可视化技术。

二、探究任务

1、利用stm32f103的GPIO管脚、VCC和GND连接 OLED屏的I2C接口，采用cubemx设计一个HAL库程序框架，然后下载U82G源码，针对stm32f103和 0.96寸的I2C接口OLED屏，进行代码裁剪，然后移植到HAL程序程序中，完成OLED的各种显示，包括：

1）U82G的demo例程；
2）显示你自己的学号和名字（或网名昵称）；
3）掌握上下、左右滑动显示方法；
4）显示一个图案（比如你的头像肖像），最好有动态效果。

2. 如果使用Keil的虚拟逻辑分析仪去采集 I2C 引脚SDA的波形，是什么样子的？ 如果无法采集到真实的I2C协议，你觉得可改用什么方法？

三、原理探究

3.1 I2C接口

3.1.1 概述

I2C总线是一种多主机总线，连接在 I2C总线上的器件分为主机和从机。

I2C 总线接口连接微控制器和串行 I2C 总线。它提供多主机功能，控制所有 I2C 总线特定的时序、协议、仲裁和定时。支持标准和快速两种模式，同时与 SMBus 2.0 兼容。

I2C 接口接收和发送数据，并将数据从串行转换成并行，或并行转换成串行。可以开启或禁止中断。接口通过数据引脚(SDA)和时钟引脚(SCL)连接到 I2C 总线。允许连接到标准(高至 100 kHz)或快速(高至 400 kHz)I2C 总线。

3.1.2 主要特点

● 多主机功能：同一接口既可做主设备也可做从设备

●I2C 主设备功能
− 产生时钟
− 产生起始和停止信号

● I2C 从设备功能
− 可编程的 I2C 地址检测
− 可响应 2 个从地址的双地址能力
− 停止位检测

● 状态标志：
− 发送器/接收器模式标志
− 字节发送结束标志
− I2C 总线忙标志

●2 个中断向量
− 1 个中断用于地址/数据通讯成功
− 1 个中断用于出错

● 可选的拉长时钟功能

● 具单字节缓冲器的 DMA

● 可配置的 PEC(信息包错误检测)的产生或校验：
− 发送模式中 PEC 值可以作为最后一个字节传输
− 用于最后一个接收字节的 PEC 错误校验

3.1.3 功能描述

接口可以下述 4 种模式中的一种运行：
● 从发送器模式
● 从接收器模式
● 主发送器模式
● 主接收器模式

默认情况下，I2C 接口总是工作在从模式。从默认的从模式切换到主模式，需要产生一个起始条件。

3.1.4 从模式

3.1.5 主模式

3.1.6 时序协议

当处于从模式时，I2C的从发送器和从接收器的传送序列图如下。


当处于主模式时，I2C的主发送器和主接收器的传送序列图如下。

3.2 OLED屏

本次实验使用的是0.96寸OLED(有机发光二极管， Organic Light Emitting Diode )屏幕，型号为SSD1306（四针）。

主要引脚为GND(接地)、VCC(电源)。

3.2.1 工作原理

SSD1306用到了图像显示RAM（GDDRAM）。
GDDRAM是位映射静态RAM，大小为 128x64位。

GDDRAM分为8页（PAGE0~PAGE7），每页内 1个SEG对应1Byte数据，一页由 128 Byte 组成。一帧显示数据为1024Byte（1KB）。即屏幕每8行像素点（8PIXEL）记为一页（PAGE），64行即为8页，则屏幕变为128列（ROW）8页（PAGE），若要显示整个屏幕，则需要1288个1字节数。

3.2.2 汉字点阵显示原理

取字模的原理很简单，以“我”为例。

一行有16个像素，第一行左8个为P0-P7，右8个为P20-P27(+20H)。
点阵扫描一般从右往左扫完一行，然后再从下一行的最右边向左扫描。

因此，它扫描取得的十六进制数也是如此，从右往左，它先扫描到0000（十进制0），再扫描到0010（十进制2），因此其十六进制数为0x02。

同理，左8位先扫到0110（十进制6），再扫到0000（十进制0），对应十六进制数0x60。

取得"我"的字模为:
0x02,0x60,0x0A,0x1C,0x12,0x10,0x12,0x10,
0x02,0x10,0x7F,0xFF,0x02,0x10,0x12,0x10,
0x14,0x70,0x0C,0x1C,0x04,0x13,0x0A,0x10,
0x49,0x90,0x50,0x10,0x60,0x14,0x40,0x08

3.2.3 汉字点阵取模

从左往右列是阴极，从上往下行是阳极。
我们的显示屏分辨率为128*64。

在UCDOS中文宋体字库中，每一个字由16行16列的点阵组成显示，即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。

因此，对于SSD1306，每行最多可以输入8个汉字，整块屏幕最多只能使用4行。

汉字是由多个像素组成的一个字块。因此我们需要用到取字模软件，本次实验使用的是PCtoLCD2002完美版。

链接: https://pan.baidu.com/s/1542q14FRzCawo8WNp8J-Kg
提取码: jdzg

源自
博客

四、探究过程

4.1 实验一

1）U82G的demo例程；
2）显示你自己的学号和名字（或网名昵称）；
3）掌握上下、左右滑动显示方法；
4）显示一个图案（比如你的头像肖像），最好有动态效果。

4.1.1 编写移植函数

下载u8g2包，然后将其放在生成的工程文件夹下。
后续可以参考博客
https://blog.csdn.net/black_sneak/article/details/126312657

4.1.2 关键代码

main函数

  while (1){u8g2_FirstPage(&u8g2);do{draw(&u8g2);u8g2DrawTest(&u8g2);} while (u8g2_NextPage(&u8g2));/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}

test.h

#ifndef __TEST_H
#define __TEST_H

#include “main.h”
#include “u8g2.h”

void testDrawProcess(u8g2_t *u8g2);
void testShowFont(u8g2_t *u8g2);
void testDrawFrame(u8g2_t *u8g2);
void testDrawRBox(u8g2_t *u8g2);
void testDrawCircle(u8g2_t *u8g2);
void testDrawFilledEllipse(u8g2_t *u8g2);
void testDrawMulti(u8g2_t *u8g2);
void testDrawXBM(u8g2_t *u8g2);

void u8g2DrawTest(u8g2_t *u8g2);

#endif

test.c

#include "test.h"//---------------U8g2测试函数#define SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2, ms)\do {\u8g2_SendBuffer(u8g2); \HAL_Delay(ms);\}while(0);//进度条显示
void testDrawProcess(u8g2_t *u8g2)
{for(int i=10;i<=80;i=i+2){u8g2_ClearBuffer(u8g2); char buff[20];sprintf(buff,"%d%%",(int)(i/80.0*100));u8g2_SetFont(u8g2,u8g2_font_ncenB12_tf);u8g2_DrawStr(u8g2,16,32,"STM32 U8g2");//字符显示u8g2_SetFont(u8g2,u8g2_font_ncenB08_tf);u8g2_DrawStr(u8g2,100,49,buff);//当前进度显示u8g2_DrawRBox(u8g2,16,40,i,10,4);//圆角填充框矩形框u8g2_DrawRFrame(u8g2,16,40,80,10,4);//圆角矩形u8g2_SendBuffer(u8g2);}HAL_Delay(500);
}//字体测试 数字英文可选用 u8g2_font_ncenB..(粗) 系列字体
//u8g2_font_unifont_t_symbols/u8g2_font_unifont_h_symbols(细 圆润)
void testShowFont(u8g2_t *u8g2)
{int t = 1000;char testStr[14] = "STM32F103C8T6";u8g2_ClearBuffer(u8g2);u8g2_SetFont(u8g2,u8g2_font_u8glib_4_tf);u8g2_DrawStr(u8g2,0,5,testStr);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_SetFont(u8g2,u8g2_font_ncenB08_tf);u8g2_DrawStr(u8g2,0,30,testStr);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_SetFont(u8g2,u8g2_font_ncenB10_tr);u8g2_DrawStr(u8g2,0,60,testStr);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);
}//画空心矩形
void testDrawFrame(u8g2_t *u8g2)
{int t = 1000;int x = 16;int y = 32;int w = 50;int h = 20;u8g2_ClearBuffer(u8g2);u8g2_DrawStr(u8g2,0, 15, "DrawFrame");u8g2_DrawFrame(u8g2, x, y, w, h);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFrame(u8g2, x+w+5, y-10, w-20, h+20);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);
}//画实心圆角矩形
void testDrawRBox(u8g2_t *u8g2)
{int t = 1000;int x = 16;int y = 32;int w = 50;int h = 20;int r = 3;u8g2_ClearBuffer(u8g2);u8g2_DrawStr(u8g2,0, 15, "DrawRBox");u8g2_DrawRBox(u8g2, x, y, w, h, r);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawRBox(u8g2, x+w+5, y-10, w-20, h+20, r);SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);
}//画空心圆
void testDrawCircle(u8g2_t *u8g2)
{int t = 600;int stx = 0;  //画图起始xint sty = 16; //画图起始yint with = 16;//一个图块的间隔int r = 15;   //圆的半径u8g2_ClearBuffer(u8g2);u8g2_DrawStr(u8g2, 0, 15, "DrawCircle");u8g2_DrawCircle(u8g2, stx, sty - 1 + with, r, U8G2_DRAW_UPPER_RIGHT); //右上SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawCircle(u8g2, stx + with, sty, r, U8G2_DRAW_LOWER_RIGHT); //右下SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawCircle(u8g2, stx - 1 + with * 3, sty - 1 + with, r, U8G2_DRAW_UPPER_LEFT); //左上SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawCircle(u8g2, stx - 1 + with * 4, sty, r, U8G2_DRAW_LOWER_LEFT); //左下SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawCircle(u8g2, stx - 1 + with * 2, sty - 1 + with * 2, r, U8G2_DRAW_ALL);//整个圆SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawCircle(u8g2, 32*3, 32, 31, U8G2_DRAW_ALL);//右侧整个圆SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);
}//画实心椭圆
void testDrawFilledEllipse(u8g2_t *u8g2)
{int t = 800;int with = 16;//一个图块的间隔int rx = 27;  //椭圆x方向的半径int ry = 22;  //椭圆y方向的半径u8g2_ClearBuffer(u8g2);u8g2_DrawStr(u8g2,0, 14, "DrawFilledEllipse");SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2, 0, with, rx, ry, U8G2_DRAW_LOWER_RIGHT);//右下SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2, with * 4 - 1, with, rx, ry, U8G2_DRAW_LOWER_LEFT); //左下SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2, 0, with * 4 - 1, rx, ry, U8G2_DRAW_UPPER_RIGHT); //右上SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2, with * 4 - 1, with * 4 - 1, rx, ry, U8G2_DRAW_UPPER_LEFT); //左上SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2, with * 6, with * 2.5, rx, ry, U8G2_DRAW_ALL);//整个椭圆SEND_BUFFER_DISPLAY_MS(u8g2,t);
}//环形测试
void testDrawMulti(u8g2_t *u8g2)
{u8g2_ClearBuffer(u8g2);for (int j = 0; j < 64; j+=16){for (int i = 0; i < 128; i+=16){u8g2_DrawPixel(u8g2, i, j);u8g2_SendBuffer(u8g2);}}//实心矩形逐渐变大u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=30; i>0; i-=2){u8g2_DrawBox(u8g2,i*2,i,128-i*4,64-2*i);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//空心矩形逐渐变小u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=0; i<32; i+=2){u8g2_DrawFrame(u8g2,i*2,i,128-i*4,64-2*i);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//实心圆角矩形逐渐变大u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=30; i>0; i-=2){u8g2_DrawRBox(u8g2,i*2,i,128-i*4,64-2*i,10-i/3);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//空心圆角矩形逐渐变小u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=0; i<32; i+=2){u8g2_DrawRFrame(u8g2,i*2,i,128-i*4,64-2*i,10-i/3);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//实心圆逐渐变大u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=2; i<64; i+=3){u8g2_DrawDisc(u8g2,64,32,i, U8G2_DRAW_ALL);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//空心圆逐渐变小u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=64; i>0; i-=3){u8g2_DrawCircle(u8g2,64,32,i, U8G2_DRAW_ALL);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//实心椭圆逐渐变大u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=2; i<32; i+=3){u8g2_DrawFilledEllipse(u8g2,64,32, i*2, i, U8G2_DRAW_ALL);u8g2_SendBuffer(u8g2);}//空心椭圆逐渐变小u8g2_ClearBuffer(u8g2);for(int i=32; i>0; i-=3){u8g2_DrawEllipse(u8g2,64,32, i*2, i, U8G2_DRAW_ALL);u8g2_SendBuffer(u8g2);}
}// width: 128, height: 48
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五、探究总结

图像显示原本是一个相对复杂的工程，但是u8g2图形库的出现让复杂图形以及动画显示变成了一件相对简单的事。