樹莓派4 rt-thread實現SPI屏人機交互界面

1.前言

樹莓派4的rt-thread一直在不斷的更新，充分挖掘可以樹莓派底層硬件的特性，同時借助各種外設，使得樹莓派4成為一個更加適合學習嵌入式開發，驗證各種外設功能，學習操作系統的好用的平臺。

在樹莓派4上進行各種外設的開發，需要一定的嵌入式調試經驗與驅動調試方法，因為樹莓派雖然資料很多，但是關鍵核心的芯片資料卻非常的少，都是進行應用層面的開發工作。為了更加深刻的學習嵌入式，了解方法是不夠的，而是要弄清楚原理才行。本文主要是介紹樹莓派4圖像，觸摸相關的使用方式，從而實現GUI的移植和界面交互。

2.樹莓派4顯示接口介紹

樹莓派4默認是不帶任何屏接口的顯示的，可以接上HDMI接口。

另外，樹莓派4上帶有MIPI的顯示器DSI排線接口，可以通過排線進行連接。

這兩種顯示接口的驅動實現，都已經在樹莓派的videocore中實現了，具體的實現細節需要查看相關的GPU的使用。作為學習嵌入式圖像這一塊，已經無法從樹莓派上進行任何的底層相關的開發了。想調用圖像的讀寫操作，可以通過CPU與GPU的通信管道作為數據的傳輸通道，具體可以查看mbox的驅動實現細節：

https://github.com/RT-Thread/rt-thread/blob/master/bsp/raspberry-pi/raspi4-32/driver/mbox.c

將圖像放到一段內存空間，然后發消息給GPU，讓其去該地址取數據，最后就可以在屏幕上看到顯示的畫面了。

這一種只有顯示，如果要實現觸摸，還需進行另外的接口實現。一種是DSI可以將觸摸的坐標傳遞給GPU，通過mbox取獲取坐標數據，另外一種接HDMI屏的常見做法就是將觸摸另外接到USB上，通過USB獲取坐標點。這是常見的實現手段。

除此之外，微雪則出了MHS-3.5inch RPi Display的3.5寸的SPI屏。

http://www.lcdwiki.com/MHS-3.5inch_RPi_Display

下圖是基本的展示：

該屏是利用SPI總線所驅動，最大spi速率支持125Mhz。支持電阻屏觸摸。而且價格也很便宜。是本文研究的重點。

3.樹莓派4 SPI接口

要想將該屏驅動起來，首先必須了解的是SPI協議，以及bcm2711芯片的spi控制器的使用。所有深度的研讀了rpi_DATA_2711_1p0.pdf文檔。

https://gitee.com/bigmagic/raspi_sd_fw/tree/master/doc/raspi4

重點是說，樹莓派4的SPI是支持兩種模式的，一種是標準的SPI總線。

這個很基本，也就是CE片選決定是那個設備，主機通過傳輸SCLK時鐘信號，然后傳輸MOSI，從機響應數據，MISO。這是標準的SPI協議，可以好好復習一下。

另外一種則是LOSSI模式。

也就是低速串行總線。片選外設后，主機可以通過SCL發送時鐘，然后通過SDA發送數據，從機接受到數據后，也會通過SDA數據線傳輸到主機。只有一條線傳輸數據。

區分的方法就是在發送數據位時比如發送8位數據位，則會在前面增加一位表示讀寫。這種適合于低速外設總線的使用。這一種模式目前暫時沒有使用到，后面使用的時候再進行分析。

4.樹莓派4 上的SPI屏的實現

具體細節我就不過多的展開，反正調試就占用了兩天時間，下面主要講一講調試的心得和步驟。

標準的SPI屏接上后，觸摸和LCD都是用的同樣的SPI線。

通過CS引腳進行選擇，正好對應上樹莓派SPI0的兩個片選。我剛開始調試的是LCD，由于LCD的主控是ILI9486，看來一下芯片手冊，準備按照以往的調試經驗，先讀出出廠ID試試。怎么都不讀到數據，嘗試了好久，結果仔細看上圖，發現SO引腳上標注的是Touch panel SPI data output。原來是不能輸出數據的呀。于是轉換方向，先調試觸摸，因為觸摸標準一些。

剛開始的時候，觸摸讀不到數據，因為SPI驅動寫的不好，而且測試也不嚴格，對SPI的協議理解不深刻，后來干脆采用邏輯分析儀跟蹤數據。才發現速率太高了，原來這個觸摸支持的spi的頻率是很低的，只有幾百K。我終于看到數據讀出來變化了。

由于是電阻屏，所以讀到的是12位的數據，讀到2個字節，然后計算偏移得到12位的數據，總體變化范圍是0到2048之間。按照這個規律，不斷的在屏的上下左右角度測試坐標，終于測試得到了以下結論。

XPT2046:Width:320 High:480
no pressed:(0x800,0xfff)
---ETH----USB-----------------------
| (0x800,0x800)      (0xfff,0x800) |
|                                  |
| (0x800,0xFFF)      (0xfff,0xfff) |
------------------------------------

不進行觸摸得到的數據(0x800,0xfff)，各個角度的值可以看上面的信息。

計算坐標，由于電阻屏，每個點的坐標均勻分布，有著二次方程的線性關系。很容易就通過取到的數據算出坐標點了。調試這個花費了一天時間。終于可以開始調試LCD了。

由于兩個片選不一樣，而且只能寫不能讀，這樣調試起來需要非常的精確。首先LCD復位，也就是22號引腳先高電平再低電平再高電平。此時完成復位動作。

接著，注意命令和數據是一個GPIO的高低電平進行控制的。這個細節要注意。接著就是開始傳輸配置的參數了，參數主要參考類似的lcd的實現。參數傳遞完成，屏的面板顯示又白色變成黑色，這個是證明參數寫進去的關鍵。為了這個細節的實現，調試了許久。然后寫數據到lcd中。

剛開始的時候，刷屏的速度肉眼可見，每個坐標點在變化，這肯定不能接受，然后算了一下SPI的頻率還不到1MHZ。這肯定不行，于是配置樹莓派SPI，將時鐘提升到125Mhz。速度雖然有了提升，但是還是不夠，差不多1s才能刷新全屏。最后直接跳過rt-thread的spi框架，直接操作底層進行SPI寫數據。發現真的快了許多。

用數據來說話，用Image2LCD來生成一張圖像，進行刷屏測試。

最后的結果如下所示：

由于操作系統的tick為10ms，所以測試得到差不多40到50ms，所以幀率在20~25幀左右。這是目前實測的數據。雖然速率不是特別高，但是還是可以接受的。