1. 天空星STM32F407驱动1.47寸ST7789V3彩屏：软件SPI与硬件SPI移植实战

天空星STM32F407驱动1.47寸ST7789V3彩屏软件SPI与硬件SPI移植实战最近在做一个需要小尺寸显示屏的项目选来选去看中了这款1.47寸的IPS彩屏。分辨率172x320驱动芯片是ST7789V3用SPI通信尺寸小巧显示效果也不错。但拿到手后发现厂家给的例程是基于特定开发板的要把它移植到咱们手头的“天空星”STM32F407开发板上还得花点功夫。这篇文章我就来手把手带你走一遍完整的移植过程。咱们不光要把屏幕点亮还要深入聊聊两种驱动方式软件模拟SPI和硬件SPI。我会详细解释每一步修改的原因分享我踩过的坑让你不仅能成功点亮屏幕更能理解背后的原理。无论你是刚接触嵌入式的新手还是想优化现有项目的朋友这篇教程都能帮到你。1. 准备工作认识你的屏幕和资料工欲善其事必先利其器。在动手写代码之前咱们先把屏幕和资料搞清楚。1.1 屏幕规格与引脚我用的这块屏关键参数如下参数规格工作电压3.3V工作电流约90mA屏幕尺寸30mm x 37mm分辨率172 (H) x 320 (V) RGB驱动芯片ST7789V3通信接口SPI引脚数量8 Pin (2.54mm间距)这块屏有8个引脚每个引脚的作用必须弄清楚接线和编程都靠它屏幕引脚名功能说明对应SPI信号VCC电源正极 (3.3V)-GND电源地-SCL时钟信号SCK (SPI时钟线)SDA数据信号MOSI (主机输出从机输入)RES复位信号-DC数据/命令选择-CS片选信号NSSBLK背光控制-提示如果MCU的GPIO引脚紧张有两个引脚可以简化处理RES可以直接接到MCU的复位引脚。这样MCU一复位屏幕也跟着复位省掉一个GPIO控制。但缺点是屏幕无法单独软复位。BLK可以直接接3.3V或者悬空部分模块内部已上拉。这样背光会常亮代价是无法通过程序调节背光亮度。1.2 获取并理解源码资料里提供了完整的驱动例程。咱们移植的核心就是把这个例程适配到自己的“天空星”STM32F407工程里。下载资料根据提供的链接找到并下载厂家例程包。查看源码结构解压后重点关注LCD文件夹。里面通常包含lcd.c、lcd.h、lcd_init.c、lcd_init.h等文件。lcd_init.c里的LCD_Init()函数是屏幕初始化的核心包含了引脚配置和屏幕驱动芯片的初始化序列。准备你的工程你需要一个基于“天空星”STM32F407的空白工程工程里至少要有可用的毫秒级延时函数比如delay_ms。你可以使用开发板提供的标准工程模板。2. 基础移植解决编译错误把厂家的LCD文件夹整个复制到你的工程目录下然后在你的IDE比如Keil MDK里把这些.c和.h文件添加到工程中。一编译大概率会报错。别慌这是移植的必经之路。咱们一步步解决。第一步解决头文件错误最常见的错误是找不到sys.h或delay.h。这是因为厂家例程用的头文件名称和你的工程不一样。打开lcd_init.c和lcd.c文件找到#include “delay.h”这一行。把它改成你的工程里实际存在的延时函数头文件比如#include “board.h”假设你的延时函数在board.h中声明。第二步解决数据类型错误接着编译可能会报错“u8”、“u16”、“u32”未定义。这些是厂家自定义的数据类型缩写。打开lcd_init.h和lcd.h文件。在文件开头的某个位置比如所有#include之后添加以下宏定义#ifndef u8 #define u8 uint8_t #endif #ifndef u16 #define u16 uint16_t #endif #ifndef u32 #define u32 uint32_t #endif这样就把u8等类型映射到了STM32标准库的uint8_t类型上。解决完这些再编译错误应该就只剩下引脚配置相关的了。接下来咱们就要根据“天空星”开发板的实际情况来配置屏幕的引脚了。这里我们分软件SPI和硬件SPI两条路来走。3. 方案一软件SPI移植简单直接软件SPI顾名思义就是用普通的GPIO引脚通过程序控制电平变化来模拟SPI的时序。优点是引脚分配非常自由几乎任何GPIO都可以用。缺点是速度慢且会占用CPU时间去模拟时序。厂家例程默认就是软件SPI所以咱们移植起来改动最小。3.1 引脚分配与初始化假设我们计划把屏幕的所有控制引脚都连接到“天空星”的GPIOA上具体分配如下SCL (SCK)- PA5SDA (MOSI)- PA7RES- PA3DC- PA2CS- PA4BLK- PA1首先修改lcd_init.c中的LCD_GPIO_Init(void)函数。这个函数负责初始化所有用到的GPIO。void LCD_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能GPIOA的时钟 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // 配置PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA7为输出模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_OUT; // 普通输出模式 GPIO_InitStructure.GPIO_OType GPIO_OType_PP; // 推挽输出驱动能力强 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_100MHz; // 输出速度软件SPI可设高一些 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP; // 内部上拉稳定电平 GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // 初始化后将所有引脚置为高电平根据屏幕逻辑通常是默认状态 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3| GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7); }3.2 修改引脚宏定义接下来修改lcd_init.h文件中的引脚操作宏定义。这些宏定义了如何拉高或拉低某个引脚驱动底层会调用它们。//-----------------LCD端口定义---------------- /* SCL PA5 SDA PA7 RES PA3 DC PA2 CS PA4 BLK PA1 */ #define LCD_SCLK_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5) // SCL拉低 #define LCD_SCLK_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5) // SCL拉高 #define LCD_MOSI_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7) // SDA拉低 #define LCD_MOSI_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7) // SDA拉高 #define LCD_RES_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3) // RES拉低 #define LCD_RES_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_3) // RES拉高 #define LCD_DC_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2) // DC拉低命令 #define LCD_DC_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2) // DC拉高数据 #define LCD_CS_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) // CS拉低选中屏幕 #define LCD_CS_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) // CS拉高取消选中 #define LCD_BLK_Clr() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1) // BLK拉低背光灭 #define LCD_BLK_Set() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1) // BLK拉高背光亮到这里软件SPI的移植就完成了因为厂家例程的SPI时序在LCD_Writ_Bus等函数里已经是软件模拟好的我们只需要告诉它操作哪个引脚就行了。4. 方案二硬件SPI移植高效稳定硬件SPI是利用STM32芯片内部专用的SPI外设来通信。硬件负责产生精确的时钟、管理数据移位CPU只需要把数据扔给数据寄存器就行了。优点是速度快、不占用CPU、时序精准可靠。缺点是指定的引脚必须具有SPI复用功能。“天空星”STM32F407有多个SPI外设。我们计划使用SPI1并查看数据手册确定其引脚。SPI1_SCK可以映射到PA5SPI1_MOSI可以映射到PA7这正好和我们软件SPI选的引脚一致非常方便。其他控制引脚RES, DC, CS, BLK仍然使用普通GPIO。4.1 硬件SPI引脚与初始化硬件SPI的初始化要复杂一些需要配置两部分SPI功能引脚和普通GPIO引脚。修改lcd_init.c中的LCD_GPIO_Init(void)函数如下void LCD_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure_SPI; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure_GPIO; SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; // 1. 使能时钟 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); // 使能SPI1时钟 // 2. 配置PA5和PA7为SPI1的复用功能引脚 GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_SPI1); // PA5复用为SPI1_SCK GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_SPI1); // PA7复用为SPI1_MOSI // 初始化SPI功能引脚 (PA5, PA7) GPIO_InitStructure_SPI.GPIO_Pin GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure_SPI.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF; // 复用功能模式 GPIO_InitStructure_SPI.GPIO_OType GPIO_OType_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStructure_SPI.GPIO_Speed GPIO_Speed_100MHz; // 高速 GPIO_InitStructure_SPI.GPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP; // 上拉 GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure_SPI); // 3. 配置其他控制引脚为普通输出 (PA1, PA2, PA3, PA4) GPIO_InitStructure_GPIO.GPIO_Pin GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure_GPIO.GPIO_Mode GPIO_Mode_OUT; // 普通输出模式 GPIO_InitStructure_GPIO.GPIO_OType GPIO_OType_PP; // 推挽输出 GPIO_InitStructure_GPIO.GPIO_Speed GPIO_Speed_100MHz; GPIO_InitStructure_GPIO.GPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure_GPIO); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4); // 初始置高 // 4. 配置SPI1外设参数 SPI_InitStructure.SPI_Direction SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; // 全双工虽然只发不收 SPI_InitStructure.SPI_Mode SPI_Mode_Master; // 主模式 SPI_InitStructure.SPI_DataSize SPI_DataSize_8b; // 8位数据格式 SPI_InitStructure.SPI_CPOL SPI_CPOL_High; // 时钟极性空闲时为高电平 SPI_InitStructure.SPI_CPHA SPI_CPHA_2Edge; // 时钟相位第二个边沿采样 SPI_InitStructure.SPI_NSS SPI_NSS_Soft; // 软件控制NSS我们用GPIO控制CS SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler SPI_BaudRatePrescaler_4; // 波特率预分频决定SPI速度 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit SPI_FirstBit_MSB; // 高位在前 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial 7; // CRC值这里用不到 SPI_Init(SPI1, SPI_InitStructure); // 5. 使能SPI1 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); }注意SPI_CPOL和SPI_CPHA时钟极性和相位必须和屏幕驱动芯片ST7789V3的要求一致。根据资料这里设置为CPOLHighCPHA2Edge即模式3。如果设置错误屏幕将无法通信。4.2 修改数据发送函数软件SPI的数据发送是靠GPIO_SetBits和GPIO_ResetBits模拟的。现在用了硬件SPI我们需要重写数据发送函数改用STM32的SPI库函数。在lcd_init.c中找到void LCD_Writ_Bus(u8 dat)函数将其修改为void LCD_Writ_Bus(u8 dat) { LCD_CS_Clr(); // 拉低CS选中屏幕 // 等待发送缓冲区为空表示可以写入新数据 while(RESET SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE)); // 通过SPI1发送一个字节数据 SPI_I2S_SendData(SPI1, dat); // 等待接收缓冲区非空硬件SPI在全双工下会同时接收数据这里是为了等待发送完成 while(RESET SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE)); SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); // 读取接收到的数据丢弃因为我们不需要 LCD_CS_Set(); // 拉高CS取消选中屏幕 }这个函数是屏幕驱动底层最核心的“写一个字节”函数。硬件SPI接管了时钟和数据的发送代码变得非常简洁。4.3 修改引脚宏定义可选对于硬件SPISCLK和MOSI的Clr/Set宏实际上用不到了因为硬件控制了它们。但为了保持代码兼容性其他函数可能调用可以保留它们或者直接留空。这里我们选择保留但内容可以不变因为初始化时这些引脚已是SPI模式软件拉高拉低无效但宏调用不会报错。lcd_init.h中的引脚宏定义部分可以和软件SPI版本完全一样无需修改。5. 移植验证点亮屏幕并测试无论你选择哪种SPI方式移植完成后都需要一个简单的程序来验证屏幕是否正常工作。在你的main.c文件中可以编写如下测试代码#include board.h #include lcd.h #include lcd_init.h int main(void) { // 开发板基础初始化时钟、延时等 board_init(); // 初始化串口用于打印调试信息可选 bsp_uart_init(); // 1. 初始化LCD屏幕 LCD_Init(); // 2. 清屏为黑色 LCD_Fill(0, 0, LCD_W, LCD_H, BLACK); float counter 0.0; while(1) { // 3. 显示屏幕宽度和高度信息 LCD_ShowString(0, 32, (uint8_t *)LCD_W:, WHITE, BLACK, 16, 0); LCD_ShowIntNum(48, 32, LCD_W, 3, WHITE, BLACK, 16); LCD_ShowString(80, 32, (uint8_t *)LCD_H:, WHITE, BLACK, 16, 0); LCD_ShowIntNum(128, 32, LCD_H, 3, WHITE, BLACK, 16); // 4. 显示一个递增的浮点数 LCD_ShowString(0, 48, (uint8_t *)Num:, WHITE, BLACK, 16, 0); LCD_ShowFloatNum1(32, 48, counter, 4, WHITE, BLACK, 16); counter 0.11; // 延时1秒 delay_ms(1000); } }编译并下载程序到“天空星”开发板。如果一切顺利你应该能看到屏幕背光亮起。屏幕先全黑然后显示“LCD_W:172 LCD_H:320”。下方有一个不断累加的小数。如果屏幕没有显示或者显示乱码请按以下顺序排查硬件连接确保所有引脚VCC, GND, SCL, SDA, RES, DC, CS, BLK都正确连接没有虚焊。电源确保屏幕供电是稳定的3.3V。复位时序检查RES引脚是否有正确的复位脉冲拉低一段时间再拉高。SPI模式如果是硬件SPI反复确认SPI_CPOL和SPI_CPHA的设置是否与屏幕要求匹配ST7789V3常用模式0或模式3。SPI速度尝试降低SPI_BaudRatePrescaler比如改成SPI_BaudRatePrescaler_8或_16过高的速度可能导致通信失败。软件延时在LCD_Init()函数内部厂家代码可能包含一些delay_ms延时确保你的工程里的延时函数是准确的。6. 两种方案对比与选择最后咱们来总结一下软件SPI和硬件SPI该怎么选。特性软件SPI硬件SPI引脚灵活性极高任意GPIO均可受限必须使用具有SPI复用功能的特定引脚通信速度慢受CPU速度和模拟代码效率限制快由硬件时钟决定可达数十MHzCPU占用高CPU需要不断操作GPIO模拟时序极低CPU只需读写数据寄存器代码复杂度简单只需配置GPIO稍复杂需配置GPIO复用和SPI外设时序可靠性一般易受中断干扰高由硬件保证非常稳定适用场景引脚紧张、对速度要求不高的简单应用需要刷新图片、动画、高速数据传输的应用我的建议是如果你是初学者或者只是用来显示一些静态文字、简单图形软件SPI完全够用而且引脚配置自由更容易成功。如果你需要显示图片、动画或者项目中对刷新率有要求那么一定要用硬件SPI。移植时多花一点时间换来的是性能的巨大提升和系统的稳定。希望这篇详细的移植笔记能帮你顺利点亮这块小巧的彩屏。在实际项目中如果遇到刷新率不够的问题第一个要优化的点就是把软件SPI切换到硬件SPI效果立竿见影。