MCU 屏幕驱动杂谈

0x00 序言

这个月里，笔者跟许多屏幕打了交道，回想起来，踩了不少的坑。本文的主要任务就是记录这些坑点，供未来快速查阅；另一方面，本文所用到的器件，在 DIY 爱好者中相当流行，笔者的经验也许能帮一些读者节省时间。

笔者使用过 LCD1602、0.96 寸 OLED、SPI 协议 LCD 彩屏、墨水屏。其中，LCD1602 在八位机时代就已经能非常简单地驱动（无论是通过并口还是 I2C 协议），OLED 笔者用得较少，本文不再赘述。笔者本月踩的坑集中在其他两种屏幕，包括 ST7789 驱动的 LCD 彩屏，以及 SSD1675、SSD1680 驱动的双色、三色墨水屏。

0x01 调试工具

拿到一块屏幕，笔者首先得用面包板测试屏幕功能，看看能否跑起来，再考虑把裸屏集成到 PCB 上。然而，一块屏幕常常有 7 ~ 8 个接口——例如，对于 ST7789 模块，有 VCC、GND、SCL、SDA、RST、DC、CS、BLK；墨水屏模块则无 BLK 而有 BUSY。另外，算上逻辑分析仪，连接一块屏幕需要大量杜邦线。考虑到测试过程中可能会经常更换开发板（例如，用 RP2040 开发板的某个库驱动失败，改用 STM32 上的库试试）、更换屏幕（例如，怀疑手头的 8pin 模块焊接有问题，换成一个 7pin 模块，而 7pin 模块少了 CS 接口），于是线缆的插拔成为了复杂而容易出错的环节。笔者为此制作了一块调试接线板：

简而言之，接线板上有 16 条信号通道，分为 IN 区域、OUT 区域、logic 区域。最底部的 logic 区域是留给逻辑分析仪使用的，笔者的逻辑分析仪是 DSLogic U2Pro16，对于每条信号，都有信号线和 GND 线，均为母口。在接线板上焊接两排排针，逻辑分析仪便可以直接连接。这个设计使得我们无需再多次插拔逻辑分析仪的线缆，如果要改变测量对象，只需改动 IN 区域和 OUT 区域的接线。

IN 区域和 OUT 区域可以随意连接，每条信号有 5 个接口，足以应对各种场景。例如，可以像上图一样，将模块直接插到接线板的排母上，用杜邦线把单片机和接线板连接起来。这为快速更换屏幕或 MCU 提供了方便。

软件方面，笔者在网上到处冲浪，发现 CircuitPython 是最适合用于调试屏幕的开发环境。它是 MicroPython 的分支（但与 MicroPython 已经不兼容），由 adafruit 维护。adafruit 多年耕耘的开源工作自然不必多说，DIY 玩家常用的器件，几乎都有 adafruit 支持，笔者在使用 arduino 时就经常利用 adafruit 开发的驱动。本文也将利用 adafruit 的 ST7789 库、SSD1680 库、SSD1675 库。

值得一提的是，adafruit 提供了一个 CircuitPython 驱动大合集，支持了市面上常见的显示屏驱动 IC。可以从这里看到支持列表：

因此，想要调试屏幕，最理想的方案就是找一块 CircuitPython 开发板，安装所有驱动；接下来，我们便可以在 Thonny 中用几行代码点亮屏幕了。不过，我们遇到了一点小问题：驱动大合集的尺寸达到 5.6 MB，塞不进 pico 开发板。

本站在 RP2040 PCB 设计的文章中分析了源地工作室的 YD-RP2040 开发板，这块开发板是受到 CircuitPython 官方支持的。笔者手头的是 4MB flash 版本，不过没关系，只需把板载的 W25Q32JV 拆掉，改焊一个 W25Q128JV 上去。烧录 uf2 固件之后，RP2040 自动复位，CircuitPython 启动，弹出虚拟 u 盘，容量 14.9 MB：

将 adafruit-circuitpython-bundle-py-20240722/lib 复制到 CircuitPython 的 /lib：

数分钟的等待之后，我们搭建好了 CircuitPython 开发板。它只需通过 usb 线与电脑连接（无需另接串口），自带我们想要的全部驱动库，堪称屏幕调试神器。下文的工作都将使用这块开发板完成。

0x02 彩色 LCD：ST7789

市场上随处可见 ST7789 驱动的 TFT LCD，尺寸也是五花八门：正方形、长方形、圆形、圆角矩形。不过，屏幕的 buffer 始终是一个矩形，LCD 显示的像素是它的子集。

我们通过 SPI 协议与 ST7789 交互。CircuitPython 文档中使用了 board.SPI 对象，然而我们的环境中没有这个对象，需要改用 busio.SPI 来调用 SPI 外设。我们本次使用 1.69 寸 280 × 240 圆角矩形屏幕模块（8pin），最终代码如下：

import board
import displayio
import busio
import digitalio
from fourwire import FourWire
from adafruit_st7789 import ST7789

displayio.release_displays()

# 配置 SPI 外设
spi = busio.SPI(clock=board.GP18, MOSI=board.GP19)
while not spi.try_lock():
    pass
spi.configure(baudrate=24000000)
spi.unlock()

tft_cs = board.GP26
tft_dc = board.GP21
tft_res = board.GP20

# 打开背光
blk = digitalio.DigitalInOut(board.GP27)
blk.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
blk.value = True

# 配置 fourwire
display_bus = displayio.FourWire(
    spi, command=tft_dc, chip_select=tft_cs, reset=tft_res
)

# 配置屏幕
display = ST7789(display_bus, width=280, height=240, rowstart=20, rotation=90)

# 以下是将屏幕刷成红色
splash = displayio.Group()
display.root_group = splash

color_bitmap = displayio.Bitmap(280, 240, 1)
color_palette = displayio.Palette(1)
color_palette[0] = 0xFF0000

bg_sprite = displayio.TileGrid(color_bitmap,
                               pixel_shader=color_palette,
                               x=0, y=0)
splash.append(bg_sprite)

上述代码初始化了 280 宽度、240 高度的显示屏，起始行为 20，旋转 90 度。接下来将屏幕刷成红色。通讯过程：

现在来驱动 7pin 的 1.47 寸长条形屏幕模块。这个模块少了 CS 引脚，屏幕尺寸为  172 × 320。改动如下：

# 配置 fourwire
display_bus = displayio.FourWire(
    spi, command=tft_dc, reset=tft_res, polarity=1, phase=1, 
)

# 配置屏幕
display = ST7789(display_bus, width=172, height=320, colstart=34)

对于此块 1.47 寸屏幕，代码中的 polarity=1, phase=1 是必须的。如果不设置这两个参数，则屏幕不产生任何反应。

顺带一提，笔者是在调试 MicroPython 版驱动时发现这个特性的，被这个问题坑了数小时时间。当时的情况是，使用软件 SPI 时，可以驱动屏幕：

import machine
import random
import utime
import st7789
import fonts.bitmap.vga2_bold_16x32 as font

spi = machine.SoftSPI(baudrate=1000000, polarity=1, sck=machine.Pin(14), mosi=machine.Pin(15), miso=machine.Pin(12))
tft = st7789.ST7789(
    spi,
    172,
    320,
    reset=machine.Pin(16, machine.Pin.OUT),
    dc=machine.Pin(17, machine.Pin.OUT),
    backlight=machine.Pin(18, machine.Pin.OUT),
    cs=machine.Pin(21, machine.Pin.OUT)
)

def center(text):
    length = 1 if isinstance(text, int) else len(text)
    tft.text(
        font,
        text,
        tft.width() // 2 - length // 2 * font.WIDTH,
        tft.height() // 2 - font.HEIGHT //2,
        st7789.WHITE,
        st7789.RED)

def main():
    tft.init()
    tft.fill(st7789.RED)
    tft.off()
    tft.on()
    center(b'\xAEHello\xAF')

然而，改为硬件 SPI 则无法驱动：

spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=1, sck=machine.Pin(14), mosi=machine.Pin(15), miso=machine.Pin(12))

调试之后，发现 polarity 和 phase 必须设为特定值：

spi = machine.SPI(1, baudrate=1000000, polarity=1, phase=1, sck=machine.Pin(14), mosi=machine.Pin(15), miso=machine.Pin(12))

如此便可以驱动了。

0x03 墨水屏：SSD1680

在 CircuitPython 中，操作墨水屏与操作 TFT LCD 非常相似——都是用 fourwire 库建立通讯信道，用 displayio 库控制图像；而各个 IC 的驱动类则是非常薄的一层适配器（几乎只修改 _INIT_SEQUENCE）。这种抽象非常精彩，一方面节省了库代码量，一方面也为不同屏幕的用户提供了一致的 API。

一个月前的文章中，笔者使用 RP2040 PIO 点亮了中景园的 SSD1680 墨水屏。现在用 CircuitPython 进行实验，先点亮黑白红三色屏：

import time
import board
import displayio
import fourwire
import busio
import adafruit_ssd1680

displayio.release_displays()

spi = busio.SPI(clock=board.GP18, MOSI=board.GP19)
epd_reset = board.GP20
epd_dc = board.GP21
epd_cs = board.GP26
epd_busy = board.GP27

display_bus = fourwire.FourWire(
    spi, command=epd_dc, chip_select=epd_cs, reset=epd_reset, baudrate=1000000
)
time.sleep(1)

display = adafruit_ssd1680.SSD1680(
    display_bus,
    width=152,
    height=152,
    busy_pin=epd_busy,
    highlight_color=0xFF0000,
    rotation=0,
)

# 创建棋盘格图案
bitmap = displayio.Bitmap(152, 152, 3)  # 3 colors
palette = displayio.Palette(3)
palette[0] = 0xFFFFFF  # White
palette[1] = 0x000000  # Black
palette[2] = 0xFF0000  # Red

# 绘制棋盘格
square_size = 19  # 8x8 棋盘,每个格子19x19像素
for y in range(8):
    for x in range(8):
        color = (x + y) % 3  # 交替使用三种颜色
        for dy in range(square_size):
            for dx in range(square_size):
                bitmap[x*square_size + dx, y*square_size + dy] = color

# 创建TileGrid并添加到Group
tile_grid = displayio.TileGrid(bitmap, pixel_shader=palette)
group = displayio.Group()
group.append(tile_grid)

# 显示图案
display.root_group = group
display.refresh()

效果如下：

无论如何刷新，最左侧都残留有一些杂乱的像素。这应该是软件 bug。用相似的代码驱动中景园的 296 × 128 黑白双色墨水屏，画出黑白棋盘格，仍然有残余像素。匪夷所思地，如果我们改用 SSD1675 驱动，则这块中景园黑白 SSD1680 墨水屏可以正确输出。代码如下：

import time
import board
import displayio
import fourwire
import busio
import adafruit_ssd1675

displayio.release_displays()

spi = busio.SPI(clock=board.GP18, MOSI=board.GP19)
epd_reset = board.GP20
epd_dc = board.GP21
epd_cs = board.GP26
epd_busy = board.GP27

display_bus = fourwire.FourWire(
    spi, command=epd_dc, chip_select=epd_cs, reset=epd_reset, baudrate=1000000
)
time.sleep(1)

display = adafruit_ssd1675.SSD1675(
    display_bus,
    width=296,
    height=128,
    rotation=270,
    busy_pin=epd_busy
)

# 创建一个显示组
group = displayio.Group()

# 创建一个位图用于绘制棋盘格
bitmap = displayio.Bitmap(296, 128, 2)
palette = displayio.Palette(2)
palette[0] = 0xFFFFFF  # 白色
palette[1] = 0x000000  # 黑色

# 绘制棋盘格
tile_size = 16  # 每个格子的大小
for y in range(0, 128, tile_size):
    for x in range(0, 296, tile_size):
        color = (x // tile_size + y // tile_size) % 2
        for dy in range(tile_size):
            for dx in range(tile_size):
                if x + dx < 296 and y + dy < 128:
                    bitmap[x + dx, y + dy] = color

# 创建一个TileGrid并添加到组中
tile_grid = displayio.TileGrid(bitmap, pixel_shader=palette)
group.append(tile_grid)

# 设置显示的根组
display.root_group = group

# 刷新显示
display.refresh()

效果：

0x04 垃圾佬手记：老五 2.13 寸 SSD1675 墨水屏

笔者发扬垃圾佬精神，在淘宝店「老五数码之家电子 diy 元件」购买了一些 2.13 寸墨水屏。这些墨水屏曾经被用作电子价签，成色良好，价格 4.9 CNY，远低于墨水屏市场价。实物：

这个电子价签不容易拆。建议首先用剪线钳在侧面剪开两条缝隙，剥掉中间的一小节塑料，露出屏幕板和 PCB 板：

下一步，以剪线钳为杠杆，撬开外壳、pcb、屏幕（小心操作，不要损坏屏幕）：

最终获得一块 24pin 墨水屏裸屏和一块 PCB。详细观察 PCB：

回收晶振和 CC2640 芯片，然后可以扔掉 PCB。顺带一提，这颗 CC2640 芯片是蓝牙 5.1 MCU，拥有 128 kB flash，Cortex-M3 核，来自德州仪器，市价约 7.5 CNY。算是垃圾佬的意外收获。

笔者将这块墨水屏接到中景园的模块上，发现 BUSY 信号有正常反馈，但是屏幕不刷新。一筹莫展之际，翻淘宝评论区，发现有买家说使用「YuToo DIY」所售之驱动板可以正常使用，依言行之，果然成功，但是要使用 SSD1680 而非 SSD1675 驱动。代码如下：

import time
import board
import displayio
import fourwire
import busio
import adafruit_ssd1680

displayio.release_displays()

spi = busio.SPI(clock=board.GP18, MOSI=board.GP19)
epd_reset = board.GP20
epd_dc = board.GP21
epd_cs = board.GP26
epd_busy = board.GP27

display_bus = fourwire.FourWire(
    spi, command=epd_dc, chip_select=epd_cs, reset=epd_reset, baudrate=1000000
)
time.sleep(1)

display = adafruit_ssd1680.SSD1680(
    display_bus,
    width=250,
    height=122,
    rotation=270,
    busy_pin=epd_busy,
    highlight_color=0xFF0000,
)

# 创建一个Group来包含所有图形元素
group = displayio.Group()

# 创建一个棋盘格图案
bitmap = displayio.Bitmap(250, 122, 3)  # 3 colors: black (0), white (1), red (2)
palette = displayio.Palette(3)
palette[0] = 0x000000  # Black
palette[1] = 0xFFFFFF  # White
palette[2] = 0xFF0000  # Red

# 填充棋盘格
square_size = 20  # 每个格子的大小
for y in range(122):
    for x in range(250):
        color = ((x // square_size) + (y // square_size)) % 3
        bitmap[x, y] = color

# 创建TileGrid并添加到Group
tile_grid = displayio.TileGrid(bitmap, pixel_shader=palette)
group.append(tile_grid)

# 显示Group
display.root_group = group

# 刷新显示
display.refresh()

效果：

后来，查了一些资料，发现不同 24pin 墨水屏的驱动电路需要不同的电阻。参考微雪的设计：

墨水屏外围电路设计方面，有一篇非常详细的帖子可以参考：https://oshwhub.com/lingdy2012/mo-shui-ping-_esp8266-qu-dong-ban-_0603_wos_v0-1 。

0x05 自行设计驱动板

我们显然不能过于依赖现成的驱动板，因为一些项目需要极致压缩 pcb 面积，此时很难使用 7~8pin 2.54mm 引脚间距的模块。笔者用 KiCad 画了 ST7789 和墨水屏的外围电路，均驱动成功。

ST7789 外围电路：

墨水屏外围电路：

图中 JP2、JP3 是焊接式的跳线，想要选择 4SPI 模式时，只需用锡短路 JP2 的两个焊盘，非常方便。footprint 如下：

笔者希望让 RP2040、STM32G031G8U6、STM32G030F6P6 这三个 MCU 都连接到 ST7789 LCD 和墨水屏，以便先用 RP2040 CircuitPython 测试屏幕好坏，再调试 STM32 上的屏幕驱动程序。原理图：

layout 方面，笔者构造了一个总线结构：SCLK、MOSI、RST、DC、CS、BLK/BUSY 这六条线是平行放置的，而 MCU 和屏幕的信号线则安排在 PCB 的另一面，垂直连接到总线。理论上讲，这个设计可以在双面板上支持任意多个 MCU 和屏幕。

最终实物如下：

各个 MCU 的供电由跳线帽控制。每个 MCU 都引出了调试接口，采用源地工作室开发板的线序（3V3, SWDIO, SWCLK, GND）。另外引出了 2×5pin 1.27mm 的 arm 标准调试接口（匹配 J-Link edu mini），以及 2×7pin 1.27mm 的 STDC14 接口（匹配 STLINK-V3SET，兼容 arm 标准调试端口）。