【SPI】驱动OLED液晶屏幕

这一节我们学习如何使用 ESP32 开发板，通过 SPI 控制 OLED 液晶屏

实验原理

1. SPI

SPI（Serial Peripheral Interface） 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议，即串行外围设备接口，是一种同步、全双工、主从式接口，但并不是所有的 SPI 都是全双工。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。 SPI 接口可以是 1 线、2 线 3 线式或 4 线式，这节课，我们用到的就是 3 线 SPI

产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同 I2C 接口相比，SPI 器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解 SPI 接口的时钟频率规格

标准 4 线 SPI 芯片的管脚上只占用四根线

MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入。
MISO：主器件数据输入，从器件数据输出。
SCK：时钟信号，由主设备控制发出。
CS（NSS）：从机设备选择信号，由主设备控制。当 CS 为低电平则选中从器件

3 线 SPI 没有 MISO，或者 MISO 与 MOSI 共线

SPI 接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。下图显示了主机和从机之间的 SPI 连接。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与 SPI 总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。 MOSI 和 MISO 是数据线。MOSI 将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。

ESP32 集成了 4 个 SPI 外设

其中两个在内部用于访问 ESP32 所连接的闪存。两个控制器共享相同的 SPI 总线信号，并且有一个仲裁器来确定哪个可以访问该总线。
另外两个是通用 SPI 控制器，分别称为 HSPI 和 VSPI。它们向用户开放，具有独立的总线信号，分别具有相同的名称。每条总线具有 3 条 CS 线，最多能控制 6 个 SPI 从设备

I2C 和 SPI 的区别

I2C 只需两根信号线，而标准 SPI 至少四根信号，如果有多个从设备，信号需要更多。一些 SPI 变种虽然只使用三根线—— SCK、CS 和双向的 MISO/MOSI，但 CS 线还是要和从设备一对一根。另外，如果 SPI 要实现多主设备结构，总线系统需额外的逻辑和线路。用 I2C 构建系统总线唯一的问题是有限的 7 位地址空间，但这个问题新标准已经解决 --- 使用 10 位地址

如果应用中必须使用高速数据传输，那么 SPI 是必然的选择。因为 SPI 是全双工，IIC 的不是。SPI 没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过 10Mbps。 IIC 最高的速度也就快速+模式（1Mbps）和高速模式（3.4Mbps），后面的模式还需要额外的 I/O 缓冲区，还并不是总是容易实现的。 SPI 适合数据流应用，而 IIC 更适合“字节设备”的多主设备应用

SPI 有一个非常大的缺陷，主要是没有标准的协议，SPI 比较混乱，主要是没有标准的协议，只有moto的事实标准。所以衍生出多个版本，但没有本质的差异

2. OLED 液晶屏

OLED，即有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode）。 OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被称为是第三代显示技术

LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示 OLED 效果要来得好一些。以目前的技术，OLED 的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高

我们今天用到的屏幕是 0.96 寸的 SSD1306 芯片驱动的 OLED 屏幕。他的分辨率是 128*64，意思就是横向有 128 个像素点，纵向有 64 个

OLED 显示屏模块接口定义：

GND：电源地。
VCC：电源正（3.3～5V）。
D0：OLED 的 D0 脚，在 SPI 通信中为时钟管脚。
D1：OLED 的 D1 脚，在 SPI 通信中为数据管脚。
RES：OLED 的 RES 脚，用来复位（低电平复位）。
DC：数据和命令控制管脚。
CS：片选管脚。

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称	数量
0.96寸 OLED 屏幕	1
按键	2
杜邦线(跳线)	若干
面包板	1

软件程序设计

如果想要使用 Arduino 控制 SSD1306 驱动的 OLED 屏幕，有以下两种第三方库可以使用：

Adafruit_SSD1306 库：专门针对 SSD1306 驱动 OLED 屏幕的显示图形库
U8G2 库：目前 Arduino 平台上使用最广泛的 OLED 库

1. Adafruit_SSD1306 控制 OLED 屏幕

想要使用 Adafruit_SSD1306，还需要安装 Adafruit_GFX 第三方库。 Arduino 的 Adafruit_GFX 库为我们所有的 LCD 和 OLED 显示器提供了通用语法和图形功能集，也就是说这是一个通用图形库，并不针对特定的显示器型号

Adafruit_GFX 定义了一系列的绘画方法（线，矩形，圆等等），属于基础类，并且最重要的一点，drawPixel 方法由子类来实现
Adafruit_SSD1306 定义了一系列跟 SSD1306 有关的方法，并且重写了 drawPixel 方法，属于扩展类

首先，我们就需要先下载这两个第三方库，PlatformIO 已经为我们提供了方便的下载途径，我们可以直接在 PlatformIO 的 PIO HOME 页面中选择 Libraries 中分别搜索 Adafruit GFX Library 与 Adafruit_SSD1306，然后添加到项目中即可

下载完以上两个第三方库之后，打开 platformio.ini 文件，可以看到 lib_deps 中出现了 SSD1306 与 Adafruit GFX Library 两个依赖

在学习 Adafruit_SSD1306 之前，你需要明白无论什么 OLED 屏幕，最终都可以抽象为像素点阵，想显示什么内容就把具体位置的像素点亮起来。比如 SSD1306-12864 就是一个 128X64 像素点阵，这个点阵拥有自己的一套坐标系，在坐标系中，左上角是原点，向右是X轴，向下是Y轴

接下来，我们就可以深入学习该库了

SSD1306 包括 IIC 和 SPI 总线版本，所以针对不同版本又有对应的构造器方法，因为我们的 OLED 是 SPI 版本的，因此，我们只讲 SPI 总线的构造方法。以下代码是

/*!
    @brief  Constructor for SPI SSD1306 displays, using software (bitbang)
            SPI.(软件SPI总线)
    @param  w
            Display width in pixels
    @param  h
            Display height in pixels
    @param  mosi_pin
            MOSI (master out, slave in) pin (using Arduino pin numbering).
            This transfers serial data from microcontroller to display.
    @param  sclk_pin
            SCLK (serial clock) pin (using Arduino pin numbering).
            This clocks each bit from MOSI.
    @param  dc_pin
            Data/command pin (using Arduino pin numbering), selects whether
            display is receiving commands (low) or data (high).
    @param  rst_pin
            Reset pin (using Arduino pin numbering), or -1 if not used
            (some displays might be wired to share the microcontroller's
            reset pin).
    @param  cs_pin
            Chip-select pin (using Arduino pin numbering) for sharing the
            bus with other devices. Active low.
    @return Adafruit_SSD1306 object.
    @note   Call the object's begin() function before use -- buffer
            allocation is performed there!
*/
Adafruit_SSD1306(uint8_t w, uint8_t h, int8_t mosi_pin, int8_t sclk_pin,
    int8_t dc_pin, int8_t rst_pin, int8_t cs_pin);

/*!
    @brief  Constructor for SPI SSD1306 displays, using native hardware SPI.（硬件SPI总线）
    @param  w
            Display width in pixels
    @param  h
            Display height in pixels
    @param  spi
            Pointer to an existing SPIClass instance (e.g. &SPI, the
            microcontroller's primary SPI bus).
    @param  dc_pin
            Data/command pin (using Arduino pin numbering), selects whether
            display is receiving commands (low) or data (high).
    @param  rst_pin
            Reset pin (using Arduino pin numbering), or -1 if not used
            (some displays might be wired to share the microcontroller's
            reset pin).
    @param  cs_pin
            Chip-select pin (using Arduino pin numbering) for sharing the
            bus with other devices. Active low.
    @param  bitrate
            SPI clock rate for transfers to this display. Default if
            unspecified is 8000000UL (8 MHz).
    @return Adafruit_SSD1306 object.
    @note   Call the object's begin() function before use -- buffer
            allocation is performed there!
*/
Adafruit_SSD1306(uint8_t w, uint8_t h, SPIClass *spi,
    int8_t dc_pin, int8_t rst_pin, int8_t cs_pin, uint32_t bitrate=8000000UL);

软件 SPI 总线用法，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
// 软件SPI总线
// Declaration for SSD1306 display connected using software SPI (default case):
#define OLED_MOSI   13
#define OLED_CLK   18
#define OLED_DC    2
#define OLED_CS    4
#define OLED_RESET 15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
  OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

使用硬件 SPI 总线，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
#define OLED_DC     2
#define OLED_CS     4
#define OLED_RESET  15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
  &SPI, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

接下来的方法（函数）无论是 I2C 还是 SPI 总线构建的，用法都是一致的：

display：显示内容，这个方法才是真正把绘制内容画在 OLED 屏幕上（非常重要）；
drawCircle：绘制空心圆；fillCircle：绘制实心圆；drawTriangle：绘制空心三角形；
fillTriangle：绘制实心三角形；drawRoundRect：绘制空心圆角方形；
fillRoundRect：绘制实心圆角方形；
drawBitmap：绘制 Bitmap 图形；
drawXBitmap：绘制 XBitmap 图形；
drawChar：绘制单个字符；
getTextBounds：计算字符串在当前字体大小下的像素大小，返回左上角坐标以及宽度高度像素值；
setTextSize：设置字体大小；
setFont：设置字体；setCursor：设置光标位置；
setTextColor：设置字体颜色；
setTextWrap：设置是否自动换行；
drawPixel：绘制像素点；
drawFastHLine：绘制水平线；
drawFastVLine：绘制垂直线；
startscrollright：滚动到右边；
startscrollleft：滚动到左边；
startscrolldiagright：沿着对角线滚动到右边；
startscrolldiagleft：沿着对角线滚动到左边；
stopscroll：停止滚动：

实验原理​

1. SPI​

I2C 和 SPI 的区别​

2. OLED 液晶屏​

硬件电路设计​

软件程序设计​

1. Adafruit_SSD1306 控制 OLED 屏幕​