驱动 LCD12864 ST7920（一）

前言

继上次的成功驱动了 LCD1602 以后，这几天又入手了一块 LCD12864。之所以叫 LCD12864，是因为它的屏幕是由 128 * 64 大小的点阵构成的。本文章将以学习笔记加个人想法的形式，记录使用 Arduino Mega 2560 驱动它的过程，因此很多内容会写得相当细致。同样，为了更好地理解底层的工作原理，这个项目将不会借助譬如 U8glib/U8g2 这样的库，而是会通过自己编写控制 LCD12864 的各种命令和函数。

硬件准备

第一步还是一样的，弄清楚每个引脚的功能。不过需要注意的是，LCD12864 有很多变种，这些变种通常在引脚以及其功能上会有差异。笔者使用的这款驱动芯片是 ST7920。常见的芯片种类与差异如下表（由 Grok 汇总）^[1][2][3][4]：

LCD12864 ST7920 的元件引脚及功能如下表：

可以看到，与 LCD1602 相比，两者的在引脚上的安排是极为相似的。需要额外注意的是，在本项目中将直接使用 8 位并行的方式传输数据，因此需要将PSG引脚设为高电平；而用于提供 -10V 电源输出的 VOUT，原本应该是通过一个电位器接电源，同时输出端接V0，通过调整电阻以调节屏幕的对比度；但是有的模块上可能已经附带了用于调整的电位器，因此就无需额外连接电路。

在本项目中，读取功能不会使用，因此RW直接拉低。RS，E和RESET分别接 Arduino 的 2，3，4 引脚。

在大多数项目中，会使用pinMode()函数来控制引脚的数据方向，pinOut()函数来设置引脚的输出电平。除了这个方法以外，Arduino 的每个引脚都由三个 8 位寄存器控制，通常以 B，C，D 等字母命名，对应不同的端口：

1. DDRx, Data Direction Register控制引脚的数据方向。0 为输入，1 为输出。
2. PORTx, Port Output Register控制着该端口引脚上的输出电平。0 为高电平，1 为低电平。
3. PINx, Port Input Register读取输入引脚的状态。如果引脚是高电平，则3相应的位是 1；反之则为 0。^[5]

虽然官方手册上并不推荐这种做法，但它的速度比通过for循环逐位写入快得多；而且这种底层操作对于深入理解硬件也大有裨益。不同的型号的芯片对于各个引脚的映射不一样，所以在使用时请务必先通过官方给出的 Pinout 确认各个引脚所属的端口。笔者使用的是 Arduino Mega 2560，采用的处理器是 ATmega2560。根据官方给出的引脚图，橘黄色背景的文字就是单片机的端口，而相同端口的引脚就可以直接使用寄存器来读写。

若要直接使用0-7号引脚作为数据接口，由于0号和1号引脚有编程的串行通信和调试的用途，直接将它们作为 GPIO可能会干扰下载或调试，因此不行；同时这些引脚也并不属于同一个端口，用寄存器来控制的话很麻烦。在这个项目中，笔者选择了A0-A7作为数据接口，因为它们可以直接使用PORTF和DDRF来控制；而且排成一排，可以直接插排线，看起来就整洁很多。虽然板子上这几个引脚旁标注了 ANALOG IN 的字样，这并不妨碍它们作为 GPIO 使用。

程序编写

硬件的准备工作完成了以后，接下来就是软件层面的事情了。LCD12864 的初始化流程和 LCD1602 的非常相似。在等待电源电压稳定以后，两者都要经过功能设置 → 显示控制 → 清屏 → 输入模式这几步。指令格式如下：

注：X表示该位可以为任意值，不会造成影响。功能设置指令的G仅有在启用扩展指令集的情况下才能使用。

第一条是功能设置 (Function Set) 指令。DL是用来选择数据位的宽度的。低电平是 4 位，高电平是 8 位；而RE用来选择指令集。低电平是基本指令集，高电平是扩展指令集。本项目将使用 8 位并行模式通信，因此DL = 1。扩展指令集在后期实现显示图像等功能的时候会派上用场，不过现在的任务是先在屏幕上显示内置字库，因此使用基本指令集即可，RE = 0。

第二条是显示控制 (Display ON/OFF Control) 指令。D, C, B这三位分别对应着显示，光标以及字符闪烁。高电平为启用，低电平为关闭。

第三条是清屏 (Clear Screen) 指令。这个很简单，没有需要设置的参数。

最后一条是输入模式 (Entry Mode Set) 指令。I/D控制光标的移动方向，高电平为向右移动（递增），低电平为向左移动（递减）。S控制全屏移动。低电平时禁用，高电平时则根据I/D来进行全屏移动。例如，当S启用时，I/D为高电平则向右移动，反之则向左移动。

笔者采用的指令如下：

OK，决定好要使用什么指令以后，接下来就是编程。上次驱动 LCD1602 时，是将这些指令的二进制数据直接保存在变量里。这样虽然调用时方便，但是若想使用不同的设置，还得手动更改变量的值，很不直观。因此这次将使用最近学会的一个好方法。

这个方法即自定义头文件。里面将声明 (Declaration) 一些函数。头文件取名为ST7920.h。初始化的流程一共要用到四条指令，现在就先声明四个函数用来专门控制：

// ST7920.H
#ifndef ST7920_H
#define ST7920_H

void FuncSet();
void DispCtrl();
void ClrScreen();
void EntryMode();

#endif

诸位读者想必已经发现了：除了要声明的函数以外，还有三条语句：#ifndef，#define和#endif。它们是什么意思呢？

这三条是 C/C++ 的预处理器指令 (Preprocessor Directives)。这类指令将用于控制编译器如何编译文件或编译哪些部分^[6]。上述代码中出现的#ifndef，#define和#endif，是用于防止头文件被重复包含，通常成对出现。

那么为什么需要防止头文件被重复包含呢？简单来说，我们在一个源文件通过#include包含某个头文件时，就相当于直接将头文件里的内容复制粘贴在了代码里。假设有两个源文件file1.c和file2.c同时包含了common.h这个头文件，那么在编译时就相当于common.h中的内容被重复定义，这时编译器就会报错。#ifndef相当于一个if ()语句，会检测一个特定的宏，通常来说是头文件的文件名，例如COMMON_H，有没有被定义。如果没有定义，就执行接下来的#define定义这个宏，以及接下来的其他代码；而如果被定义了，那么接下来所有的代码都不会被执行，直到#endif结束。

除此之外，这三条指令也可以凝缩成为一条#pragma once。这个更简洁，同时也不用担心宏名冲突的问题。虽然是非标准的，不过目前大部分的编译器都支持这条命令，除非是那种特别特别老旧的版本。头文件也应尽量减少相互包含，避免形成循环依赖，正确的做法是在.c或.cpp的源文件中包含。

确定好要使用的函数以后，接下来就是要传入的参数。这些参数都可以视作布尔类型。但是如果在调用的时候直接写DispCtrl(true, false, false)的话也很不直观。因此可以通过枚举enum来赋予这些参数一个有意义的名称。首先，根据每条指令要用到的参数，以这些参数为基准创建一个枚举类型，里面就可以列举出所有可能的情况。情况不外乎0和1两种，而这两种情况就可以分别取个易懂的名字：

// Enums
// Entry Mode Set command
enum AddrContCtrl   { ADDR_INC = 1, ADDR_DEC  	= 0 };
enum DispShiftCtrl  { SHIFT_ON = 1, SHIFT_OFF 	= 0 };

// Function Set command
enum DataLength     { DL_8BIT  	= 1, DL_4BIT 	= 0 };
enum InstructionSet { EXTENDED 	= 1, BASIC    	= 0 };
enum GraphicMode    { GRAPHIC  	= 1, CHAR    	= 0 };

// Display Control command
enum DispSwitch   	{ DISP_ON   = 1, DISP_OFF   = 0 };
enum CursorSwitch 	{ CURSOR_ON = 1, CURSOR_OFF = 0 };
enum CharBlink    	{ BLINK_ON  = 1, BLINK_OFF  = 0 };

// Write Byte command
enum RegSelect 		{ DATA = 1, INST = 0 };

之前声明的函数就可以这样设定形参 (Formal Parameters)：

void FuncSet(enum DataLength DL, enum InstructionSet RE, enum GraphicMode G);
void DispCtrl(enum DispSwitch D, enum CursorSwitch C, enum CharBlink B);
void ClrScreen();
void EntryMode(enum AddrContCtrl ID, enum DispShiftCtrl S);

现在，就可以这样来设置要发送的指令，例如：

FuncSet(DL_8BIT, BASIC, CHAR);

意思就相当一目了然了，即 8 位数据模式，基础指令集，字符模式。

不过，这还只是声明好了函数。函数功能的实现，或者定义 (Definition) 应该放在.c或.cpp的源文件中实现，例如再新建一个st7920.c的文件。

由于PORTF一次性传递的是一个字节的数据，因此需要进行一些位操作来更改这一字节内某一位的值。这一过程可以通过按位或 (Bitwise OR) 以及 位移 (Bitwise Shift) 来完成。例如，在FuncSet()中，需要将 bit4 和 bit2 分别设为1和0。读取到传入的参数以后，分别将这两个向高位左移 4 位和 2 位，随后再通过按位或把值赋给这一位，即：

uint8_t cmd = 0b00100000 | (DL << 4) | (RE << 2);

例如当DL = 1, RE = 0时：

   0b00100000
   0b00010000 (1 << 4 = 0b00010000)
OR 0b00000000
--------------
   0b00110000

最终的计算结果就是要传输的指令。

最后，除了这些和 LCD 功能有关的指令以外，还得有个负责将它们写入的函数。要写入的内容分为指令和数据两种，同时还得控制写完后的延迟的时间，以确保正确写入。根据这些需求，就可以声明：

enum RegSelect { DATA = 1, INST = 0 };
void WriteByte(enum RegSelect rs, uint8_t data, int DelayUs)

第一个参数rs是选择要写入的寄存器类型，分为指令和数据两种寄存器。这个参数就直接控制着RS引脚上的电平。data即要写入的内容，通过uint8_t定义了一个大小为 8-bit 的形参。最后是要延迟的微秒数。根据手册可得，大部分的写指令都能在几百纳秒内完成，因此为了提升效率，一般延迟 10μs 左右就足够了，不过清屏的时间可以留得略久一点。除此之外，还得控制使能E引脚上的电平。这个引脚的功能可以理解为「发送数据」，高电平有效。这个函数的实现如下：

void WriteByte(enum RegSelect rs, uint8_t data, int delayUs) {
	// Set the mode of RS
	// true for data mode
	// false for instruction mode
	if (rs == true)
		digitalWrite(RS, HIGH);
	else
		digitalWrite(RS, LOW);
	   
	// Write the data the the data pins
	PORTF = data;

	// Generate a rising edge on pin Enable
	digitalWrite(E, HIGH);
	delayMicroseconds(10);
	digitalWrite(E, LOW);

	// Delay for delayMs for component ready
	delayMicroseconds(delayUs);
}

正式点亮

终于，所有最基本的函数已经写好了，现在只需要在主文件中包含自定义的头文件即可调用这些函数：

// LCD128+4.ino

#include "ST7920.h"

void setup() {
	pinMode(RST, OUTPUT); // Intialize RST pin (default HIGH)
	pinMode(E, OUTPUT); // Intialize E pin (default LOW)
	pinMode(RS, OUTPUT); // Intialize RS pin (default LOW)

	DDRF = 0xFF;  // Set data direction output
	PORTF = 0x00; // Intialize pin output

	DispClr();
	FuncSet(DL_8BIT, BASIC, CHAR);
	DispCtrl(DISP_ON, CURSOR_OFF, BLINK_OFF);
	DispClr();
	EntryMode(ADDR_INC, SHIFT_OFF);
}

这样就完成了屏幕的初始化流程（其实这些函数也可以打包在一起，放在一个用于初始化的函数中）。而此时如果想在屏幕上输出字符，可以直接通过WriteByte()，选择数据模式，数据就填要打印的 ASCII 字符即可。如果想输出字符串，可以定义一个char类型的指针，并且在每次写完数据后向后移动一位。在这里我写了个函数专门用于输出字符串：

void LcdPrint(const char *text) {
    while (*text) {
        WriteByte(DATA, *text, 10);
        text++;
    }
}

LcdPrint("Hello World!");

而如果此时直接输入中文字符串：

出现乱码 (Mojibake) 的原因很简单。西文部分由于是兼容 ASCII 码的，所以无论怎么样都没关系，能被正确解码；但是中文就不一样了。屏幕采用的编码是基于 GB2312 的双字节编码；而代码默认采用的是 UTF-8。缺少字符间的映射关系的话就会导致乱码。这部分的原理比较复杂，而且偏离了本文的主题，在此先按下不表。代替方案就是先通过一些工具，例如 Python 有个encode()`函数，将返回一串字节串，这时再将编码输入函数就可以正确显示：

("你好！").encode("GB2312") # Return b'\xc4\xe3\xba\xc3\xa3\xa1'

后记

这篇文章篇幅虽然很长，但内容还是相当基础的，只用到了这块屏幕的最基础的功能。在后面的文章中，我将会侧重于它的图形模式，显示自定义字形，以及开发一些用于绘图的函数。