Подключение OLED дисплея ssd1306 к STM32 (SPI+DMA)

в 20:47, , рубрики: DIY, stm32, программирование микроконтроллеров

В данной статье будет описан процесс подключение oled дисплея с контроллером ssd1306 разрешением 128x64 к микроконтроллеру stm32f103C8T6 по интерфейсу SPI. Также мне хотелось добиться максимальной скорости обновления дисплея, поэтому целесообразно использовать DMA, а программирование микроконтроллера производить с помощью библиотеки CMSIS.

Подключение

Подключать дисплей к микроконтроллеру будем по интерфейсу SPI1 по следующей схеме:

  • VDD-> +3.3В
  • GND-> Земля
  • SCK -> PA5
  • SDA -> PA7(MOSI)
  • RES-> PA1
  • CS-> PA2
  • DS-> PA3

imageimage

Передача данных происходит по возрастающему фронту сигнала синхронизации по 1 байту за кадр. Линии SCK и SDA служат для передачи данных по интерфейсу SPI, RES — перезагружает контроллер дисплея при низком логическом уровне, CS отвечает за выбор устройства на шине SPI при низком логическом уровне, DS определяет тип данных (команда — 1/данные — 0) которые передаются дисплею. Так как с дисплея ничего считать нельзя, вывод MISO использовать не будем.

Организация памяти контроллера дисплея

Перед тем, как выводить что-либо на экран, необходимо разобраться как в контроллере ssd1306 организована память.

image
image

Вся графическая память (GDDRAM) представляет собой область 128*64=8192 бит=1 Кбайт. Область разбита на 8 страниц, которые представлены в виде в виде совокупности из 128-ми 8-ми битных сегментов. Адресация памяти происходит по номеру страницы и номеру сегмента соответственно.

При таком методе адресации есть очень неприятная особенность — невозможность записать в память 1 бит информации, так как запись происходит по сегменту (по 8 бит). А так как для корректного отображения единичного пикселя на экране, необходимо знать состояние остальных пикселей в сегменте, целесообразно создать в памяти микроконтроллера буфер размером 1 Кбайт и циклически загружать его в память дисплея (тут и пригодится DMA), соответственно, производя его полное обновление. При использовании такого метода возможно пересчитать положение каждого бита в памяти на классические координаты x,y. Тогда для вывода на экран точки с координатами x и y воспользуемся следующим способом:

displayBuff[x+(y/8)*SSD1306_WIDTH]|=(1<<(y%8));

А для того, чтобы стереть точку

displayBuff[x+(y/8)*SSD1306_WIDTH]&=~(1<<(y%8));

Настройка SPI

Как говорилось выше, подключать дисплей будем к SPI1 микроконтроллера STM32F103C8.

image

Для удобства написания кода объявим некоторые константы и создадим функцию для инициализации SPI.

#define SSD1306_WIDTH 128
#define SSD1306_HEIGHT 64
#define BUFFER_SIZE 1024
//Макросы для активации устройства на шине, сброса экрана и выбора команды/данных
#define CS_SET GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BS2
#define CS_RES GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BR2
#define RESET_SET GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BS1
#define RESET_RES GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BR1
#define DATA GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BS3
#define COMMAND GPIOA->BSRR|=GPIO_BSRR_BR3

void spi1Init()
{
    return;
}

Включим тактирование и произведем настройку выходов GPIO, как показано в таблице выше.


RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_SPI1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;//Включить тактирование SPI1 и GPIOA
RCC->AHBENR|=RCC_AHBENR_DMA1EN;//Включить тактирование DMA
GPIOA->CRL|= GPIO_CRL_MODE5 | GPIO_CRL_MODE7;//PA4,PA5,PA7 в режим выходов 50MHz
GPIOA->CRL&= ~(GPIO_CRL_CNF5 | GPIO_CRL_CNF7);
GPIOA->CRL|=  GPIO_CRL_CNF5_1 | GPIO_CRL_CNF7_1;//PA5,PA7 - выход с альтернативной функцией push-pull, PA4 - выход push-pull

Далее произведем настройку SPI в режим master и частотой 18 Мгц.

SPI1->CR1|=SPI_CR1_MSTR;//Режим ведущего
SPI1->CR1|= (0x00 & SPI_CR1_BR);//Делитель частоты на 2
SPI1->CR1|=SPI_CR1_SSM;//Программный NSS
SPI1->CR1|=SPI_CR1_SSI;//NSS - high
SPI1->CR2|=SPI_CR2_TXDMAEN;//Разрешить запросы DMA
SPI1->CR1|=SPI_CR1_SPE;//включить SPI1

Настроим DMA.

DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_PSIZE_0;//Размер периферии 1байт
DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_DIR;//Режим DMA из памяти в периферию
DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_MINC;//Включить инкремент памяти
DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_PL;//Высокий приоритет DMA

Далее напишем функцию отправки данных по SPI (пока без DMA). Процесс обмена данными заключается в следующем:

  1. Ожидаем, пока SPI освободится
  2. CS=0
  3. Отправка данных
  4. CS=1


void spiTransmit(uint8_t data)
{
	CS_RES;	
	SPI1->DR = data;
	while((SPI1->SR & SPI_SR_BSY))
	{};
	CS_SET;
}

Также напишем функцию непосредственно отправки команды экрану (Переключение линии DC производим только при передаче команды, а затем возвращаем ее в состояние «данные», так как команды передавать будем не так часто и в производительности не потеряем).

void ssd1306SendCommand(uint8_t command)
{
	COMMAND;
	spiTransmit(command);
	DATA;
}

Далее займемся функциями для работы непосредственно с DMA, для этого объявим буфер в памяти микроконтроллера и создадим функции для начала и остановки циклической отправки этого буфера в память экрана.

static uint8_t displayBuff[BUFFER_SIZE];//Буфер экрана

void ssd1306RunDisplayUPD()
{
	DATA;
	DMA1_Channel3->CCR&=~(DMA_CCR1_EN);//Выключить DMA
	DMA1_Channel3->CPAR=(uint32_t)(&SPI1->DR);//Занесем в DMA адрес регистра данных SPI1
	DMA1_Channel3->CMAR=(uint32_t)&displayBuff;//Адрес данных
	DMA1_Channel3->CNDTR=sizeof(displayBuff);//Размер данных
	DMA1->IFCR&=~(DMA_IFCR_CGIF3);
	CS_RES;//Выбор устройства на шине
	DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_CIRC;//Циклический режим DMA
	DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_EN;//Включить DMA
}

void ssd1306StopDispayUPD()
{
	CS_SET;//Дезактивация устройства на шине
	DMA1_Channel3->CCR&=~(DMA_CCR1_EN);//Выключить DMA
	DMA1_Channel3->CCR&=~DMA_CCR1_CIRC;//Выключить циклический режим
}

Инициализация экрана и вывод данных

Теперь создадим функцию для инициализации самого экрана.

void ssd1306Init()
{

}

Для начала настроим CS, RESET и линию DC, а также произведем сброс контроллера дисплея.

uint16_t i;
GPIOA->CRL|= GPIO_CRL_MODE2 |GPIO_CRL_MODE1 | GPIO_CRL_MODE3;
GPIOA->CRL&= ~(GPIO_CRL_CNF1 | GPIO_CRL_CNF2 | GPIO_CRL_CNF3);//PA1,PA2,PA3 в режим выхода
//Сброс экрана и очистка буфера
RESET_RES;
for(i=0;i<BUFFER_SIZE;i++)
{
	displayBuff[i]=0;
}
RESET_SET;
CS_SET;//Выбор устройства на шине

Далее отправим последовательность команд для инициализации (Более подробно о них можно узнать в документации на контроллер ssd1306).

ssd1306SendCommand(0xAE); //display off
ssd1306SendCommand(0xD5); //Set Memory Addressing Mode
ssd1306SendCommand(0x80); //00,Horizontal Addressing Mode;01,Vertical
ssd1306SendCommand(0xA8); //Set Page Start Address for Page Addressing
ssd1306SendCommand(0x3F); //Set COM Output Scan Direction
ssd1306SendCommand(0xD3); //set low column address
ssd1306SendCommand(0x00); //set high column address
ssd1306SendCommand(0x40); //set start line address
ssd1306SendCommand(0x8D); //set contrast control register
ssd1306SendCommand(0x14);
ssd1306SendCommand(0x20); //set segment re-map 0 to 127
ssd1306SendCommand(0x00); //set normal display
ssd1306SendCommand(0xA1); //set multiplex ratio(1 to 64)
ssd1306SendCommand(0xC8); //
ssd1306SendCommand(0xDA); //0xa4,Output follows RAM
ssd1306SendCommand(0x12); //set display offset
ssd1306SendCommand(0x81); //not offset
ssd1306SendCommand(0x8F); //set display clock divide ratio/oscillator frequency
ssd1306SendCommand(0xD9); //set divide ratio
ssd1306SendCommand(0xF1); //set pre-charge period
ssd1306SendCommand(0xDB); 
ssd1306SendCommand(0x40); //set com pins hardware configuration
ssd1306SendCommand(0xA4);
ssd1306SendCommand(0xA6); //set vcomh
ssd1306SendCommand(0xAF); //0x20,0.77xVcc

Создадим функции для заполнения всего экрана выбранным цветом и отображения одного пикселя.

typedef enum COLOR
{
	BLACK,
	WHITE
}COLOR;

void ssd1306DrawPixel(uint16_t x, uint16_t y,COLOR color){
	if(x<SSD1306_WIDTH && y <SSD1306_HEIGHT && x>=0 && y>=0)
	{
		if(color==WHITE)
		{
			displayBuff[x+(y/8)*SSD1306_WIDTH]|=(1<<(y%8));
		}
		else if(color==BLACK)
		{
			displayBuff[x+(y/8)*SSD1306_WIDTH]&=~(1<<(y%8));
		}
	}
}

void ssd1306FillDisplay(COLOR color)
{
	uint16_t i;
	for(i=0;i<SSD1306_HEIGHT*SSD1306_WIDTH;i++)
	{
		if(color==WHITE)
			displayBuff[i]=0xFF;
		else if(color==BLACK)
			displayBuff[i]=0;
	}
}

Далее в теле основной программы инициализируем SPI и дисплей.

RccClockInit();
spi1Init();
ssd1306Init();

Функция RccClockInit() предназначена для настройки тактирования микроконтроллера.

RccClockInit код

int RccClockInit()
{
	//Enable HSE
	//Setting PLL
	//Enable PLL
	//Setting count wait cycles of FLASH
	//Setting AHB1,AHB2 prescaler
	//Switch to PLL	
	uint16_t timeDelay;
	RCC->CR|=RCC_CR_HSEON;//Enable HSE
	for(timeDelay=0;;timeDelay++)
	{
		if(RCC->CR&RCC_CR_HSERDY) break;
		if(timeDelay>0x1000)
		{
			RCC->CR&=~RCC_CR_HSEON;
			return 1;
		}
	}	
	RCC->CFGR|=RCC_CFGR_PLLMULL9;//PLL x9
	RCC->CFGR|=RCC_CFGR_PLLSRC_HSE;//PLL sourse:HSE
	RCC->CR|=RCC_CR_PLLON;//Enable PLL
	for(timeDelay=0;;timeDelay++)
	{
		if(RCC->CR&RCC_CR_PLLRDY) break;
		if(timeDelay>0x1000)
		{
			RCC->CR&=~RCC_CR_HSEON;
			RCC->CR&=~RCC_CR_PLLON;
			return 2;
		}
	}
	FLASH->ACR|=FLASH_ACR_LATENCY_2;
	RCC->CFGR|=RCC_CFGR_PPRE1_DIV2;//APB1 prescaler=2
	RCC->CFGR|=RCC_CFGR_SW_PLL;//Switch to PLL
	while((RCC->CFGR&RCC_CFGR_SWS)!=(0x02<<2)){}
	RCC->CR&=~RCC_CR_HSION;//Disable HSI
	return 0;
}

Зальем весь дисплей белым цветом и посмотрим результат.

ssd1306RunDisplayUPD();
ssd1306FillDisplay(WHITE);

image

Нарисуем на экране в сетку шагом в 10 пикселей.

for(i=0;i<SSD1306_WIDTH;i++)
{
	for(j=0;j<SSD1306_HEIGHT;j++)
	{
		if(j%10==0 || i%10==0)
			ssd1306DrawPixel(i,j,WHITE);
	}
}

image

Функции работают корректно, буфер непрерывно записывается в память контроллера дисплея, что позволяет при отображении графических примитивов пользоваться декартовой системой координат.

Частота обновления дисплея

Так как буфер отправляется в память дисплея циклически, для приблизительного определения частоты обновления дисплея достаточно будет узнать время, за которое DMA осуществляет полную передачу данных. Для отладки в реальном времени воспользуемся библиотекой EventRecorder из Keil.

Для того, чтобы узнать момент окончания передачи данных, настроим прерывание DMA на окончание передачи.

DMA1_Channel3->CCR|=DMA_CCR1_TCIE;//Прерывание по завершении передачи
DMA1->IFCR&=~DMA_IFCR_CTCIF3;//Сбрасываем флаг прерывания
NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel3_IRQn);//Включить прерывание

Промежуток времени будем отслеживать с помощью функций EventStart и EventStop.

image

Получаем 0.00400881-0.00377114=0.00012767 сек, что соответствует частоте обновления 4.2 Кгц. На самом деле частота не такая большая, что связано с неточностью способа измерения, но явно больше стандартных 60 Гц.

Ссылки

Автор: Alexandr

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js