51單片機(jī)驅(qū)動TFT彩屏+攝像頭+有實用意義的高幀率！原創(chuàng)發(fā)布！

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 20:58

   閑來無事逛某一個寶，赫然發(fā)現(xiàn)同尺寸的TFT小屏竟然比單色點陣屏還便宜，頓時萌發(fā)了嘗試一下的念頭，以前需要用到彩屏的時候通常都是選用現(xiàn)成的串口屏，使用串口收發(fā)下數(shù)據(jù)就搞定用戶界面了，但近年來芯片張價潮波及到了幾乎所有電子行業(yè)，原來選型時一百多的屏現(xiàn)在要近四百了，當(dāng)然材料成本沒漲那么多，奸商跟風(fēng)漲價罷了。根據(jù)現(xiàn)有手頭項目產(chǎn)品要求選定了一款2.4''彩屏，驅(qū)動ILI9341分辨率320*240，典型的爛大街規(guī)格不愁斷貨，立刻下單！不過考慮到通常TFT驅(qū)動對MCU的需求還是比較高的，如果套用現(xiàn)成方案例程搞個STM32（現(xiàn)在是奢侈品了）做驅(qū)動到也四平八穩(wěn)，但是成本就不忍直視了，補充一下F1系列只有100腳以上的帶FSMC接口，所以價格肯定會很感人！再說本來就是為了省錢才干的這事，咱必須不忘初心對吧。用高射炮打蚊子不算本事，用彈弓打飛機(jī)才是水平，立刻著手查資料算時序，我就不信51搞不定TFT（是指基本流暢播放全屏動畫，而不是慢吞吞刷出幾個字來），一算才發(fā)現(xiàn)這玩意要求還挺高，平時常用的中穎系列主頻最多20冒頭，這速度來刷屏怕是要看著圖片一條線往下跑了，雖然有些STM32開發(fā)板例程也是這個水平但咱自己對覺悟還是有要求的！^_^
   搞到這里有點頭痛，想著不行就換MCU吧，無意間忽然想到電機(jī)控制MCU不是對速度要求挺高的嘛，于是就發(fā)現(xiàn)了這頭怪獸— SH79F3213。32KB的FLASH、1.5KB的RAM、關(guān)鍵是有16KB的程序RAM，只要把前16K的CODE拷貝到里面就能以84M的主頻的跑程序，芯片其它外圍也挺豐富但我暫時用不到就不去管它了，沒有硬件支持下刷屏幕MIPS才是王道！
   芯片選定開始電路方案設(shè)計，彩色圖片的數(shù)據(jù)量對51來說非常可觀的，一幅全屏的RGB565數(shù)據(jù)就是153KB，與用單色屏習(xí)慣把字庫和小圖片防在CODE區(qū)不同，這種應(yīng)用必須外擴(kuò)存儲器了。你沒猜錯，我又選了爛大街的W25Q系列，便宜才是王道嘛，手頭有現(xiàn)成的W25Q16先頂上用吧。這里要吐槽一下MCU硬件SPI口，最快只能8分頻，都什么年代了還這么慢，現(xiàn)在SPI口的FLASH都支持100M以上了。好在內(nèi)核跑得快，我用軟件模擬還不行嘛，最終軟件模擬的SPI口做到20個指令周期取一字節(jié)并放到總線，同樣時間你硬件SPI三位還沒有傳完，在此替中穎汗顏一下。
   言歸正傳，  選P0、P4口做16位數(shù)據(jù)總線，因為這倆口排列規(guī)整方便布線，P2口給W25Q用（實際只用了6個PIN，為啥這樣用可以想想），留了一個串口做圖象文件下載和顯示控制，其他控制IO就隨便就近分配了。正好某配有免費打樣券，PCB圖畫好就去做了。

板子回來焊接器件沒啥好說的，參照賣家的例程做個驅(qū)動初始化，自己寫了畫點和字庫顯示文字的程序，文字顯示很快是預(yù)料中，因為前景、背景色是相對固定兩色刷就完了，有些賣家例程以單色刷屏速度吹噓就更是糊弄人民群眾了，這個總線數(shù)據(jù)都不用變拼命刷WR線就行了。

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 21:32

重點到了！其實搞過TFT的（用開發(fā)板移植一下例程在我看來不能算搞過）都知道，刷圖象速度的瓶頸是在取數(shù)據(jù)而不在刷總線，即使你用STM32，用上了DMA、FSMC限制你速度的依然是SPI總線上的存儲器，前面提到了我用20個指令周期取到一字節(jié)數(shù)據(jù)并把它放到總線上，這樣16位總線就需要40周期，再加上8080口的控制和循環(huán)指令，整屏刷下來平均51-52周期/像素，換算成刷新率大約21FPS，這個速度基本可以滿足一般的工業(yè)產(chǎn)品顯示需要了。當(dāng)然最終產(chǎn)品還會有些中斷程序的干擾，但做到18FPS以上應(yīng)該沒有任何難度。https://v.youku.com/v_show/id_XNTgxMDkwNzE3Mg==.html?spm=a2hbt.13141534.1_2.d_4&scm=20140719.manual.114462.video_XNTgxMDkwNzE3Mg==

附上刷圖片的視頻，雖然有20FPS左右但畫面切換時撕裂感還是明顯的，一是屏硬件沒有接出TE腳不能同步，二是幀率還是低了些，理論上如果有ILI9341幀率的一半配合同步刷頻就可以完全無感地切換了。
下面是動態(tài)圖象的效果
https://v.youku.com/v_show/id_XNTgxMzQ5MDE2OA==.html?spm=a2hbt.13141534.1_2.d_3&scm=20140719.manual.114461.video_XNTgxMzQ5MDE2OA==

因為存儲容量有限，所以只有十二幅畫面，不過基本還算是播放流暢了。為了能進(jìn)一步提高幀率，此時腦子里已經(jīng)在構(gòu)思第二版了......

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 21:39

第二版的做好了，這幾天焊接調(diào)試忙得不亦樂乎，今晚終于基本成型了，雖然最終完全按上篇預(yù)告的內(nèi)容完成目標(biāo)甚至刷新率還遠(yuǎn)超預(yù)計，但期間也遇見了各種奇怪問題，現(xiàn)將過程和心得與大家共享。
老規(guī)矩，先上裸.................板！第一版因為要驗證用595同時驅(qū)動128顆LED，所以板子做得略大，這次版本純粹奔著驗證圖形性能去的，所以又緊湊了些。

焊接完畢，用第一版的程序想稍做修改把屏先搞亮起來，結(jié)果就卡在這了，任你怎么折騰屏幕都是沒有反應(yīng)，因為這次使用了8080II的8位總線方式驅(qū)動（第一版是16位方式），設(shè)計硬件時還特意跟某一個寶屏幕賣家溝通確認(rèn)過想必應(yīng)該沒啥問題了，但屏幕就是沒動靜讀ID也沒反應(yīng)，一度我都懷疑新買的這個屏是不是壞的。

下面是賣家提供的原理圖局部，圖中的11腳雖然標(biāo)著NC但每一個毛孔都散發(fā)著IM0的氣息，畫板前與賣家溝通也驗證了這個想法。

這一卡就是近一天的時間，不得以我把粘好的屏又從PCB上翹下來，干了快30年的老電工開始懷疑自己的焊接是不是有問題，這也太打擊人了！ ^_^
既然把屏翹下來了，順便仔細(xì)檢查一下FPC是不是有折彎損傷吧，這一檢查就發(fā)現(xiàn)問題了，下面是FPC的照片，看看哪個小機(jī)靈鬼能發(fā)現(xiàn)問題。

電阻R1、R2字符旁邊多了8和16兩個數(shù)字，莫非.....難道.....？插上烙鐵立刻開動把零歐電阻換到8那邊去，再上電瞬間圖象它出來了，這時內(nèi)心激動程度絲毫不亞于第一版屏幕出圖象的時候，并且有種想把賣家ko的沖動！實踐證明這款屏的IM0端口根本沒有引出，而是直接在FPC上完成不同通訊接口的設(shè)置。

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 22:10

屏幕亮了就好辦，字符顯示一切正常，但顯示圖片又出問題了，屏幕是花的！首先就懷疑自己寫的PC端圖片處理程序和BIN文件合并、拆分程序的問題，可檢查了半天沒問題啊，用示波器一看FLASH芯片只有一個腳在出數(shù)據(jù)可我用的是4I/O模式，難道芯片QE=0？（JV版本的應(yīng)該出廠QE=1），找來幾片同次買的芯片上編程器讀狀態(tài)字節(jié)，果然有部分QE=0的，甚至還有幾片被燒了加密位，看來是又遇見奸商了，說是全新原裝但就算是用拆機(jī)貨也要正規(guī)點吧，好歹恢復(fù)到出廠狀態(tài)算是拆機(jī)貨的良心和底線了吧！也怪自己貪便宜，省錢辦大事才是硬道理！
修改過QE狀態(tài)后4I/O數(shù)據(jù)可以源源不斷地輸出了，按即定思路修改程序，一切順利達(dá)到了42FPS刷新率，接下來繼續(xù)優(yōu)化刷屏循環(huán)，一條條指令一個個周期的摳，最終達(dá)到了71FPS的水平，連我自己也有些意外，當(dāng)然此時MCU除了刷屏基本干不了其它大事了，下面是實測FLASH的片選引腳波形

上圖中一個低電平周期刷一幀圖象時間大約是14mS，每秒10幀圖象，也就是每幅圖象后有八十多毫秒可以做其它任何事，當(dāng)然快速的即時性中斷任務(wù)也可以隨時執(zhí)行，包括在刷屏期間對刷屏也基本沒影響。這也驗證了速度就是王道，什么同步也不用，刷屏期間中斷也沒事，只要你夠快對顯示就沒有肉眼可見的影響。這次的動態(tài)圖視頻就不發(fā)了，大家也不想看廣告對吧^_^

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 22:19

為什么看不見自己的帖子？暈了

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 23:11

竟然被吃掉了一貼，碼字實在是辛苦啊！那就過程不表直接來結(jié)果吧
第二版準(zhǔn)備動手的時候已經(jīng)計劃要接攝像頭了，網(wǎng)上的主流說法是51接攝像頭必須要用FIFO存下以后慢慢去讀，就算STM32F1系列也推薦用帶FIFO的，直接驅(qū)動速度不夠，刷新率只有幾fps甚至不到1fps。但咱就是明知山有虎偏向虎山行的主，經(jīng)過充分計算和評估后認(rèn)定可以做到10幀以上！百密一疏的是我簡單認(rèn)為攝像頭的水平方向是排針方向，結(jié)果就是攝像頭與顯示圖象差了90度，作為技術(shù)驗證的東西應(yīng)該屬于可接受缺陷吧。

你在看自己的波型，看波形的人在背后看你
選用了6.6包郵（符合我的風(fēng)格）的OV7670攝像頭，使用直接驅(qū)動的方式進(jìn)行圖象采集，攝像頭的時鐘由MCU提供，平均大約在10M多一點滿足攝像頭標(biāo)稱工作最低頻率要求。直接驅(qū)動攝像頭的關(guān)鍵點在時鐘的穩(wěn)定和時序，而時序的正確又很大程度上取決于時鐘的穩(wěn)定，為了綜合考慮各項要求在能夠正確出圖后我又花了兩天時間細(xì)調(diào)時序和時鐘占空比，最終性能確定在14.6fps，其實可以做到接近18fps但穩(wěn)定性會有明顯下降，時序容易出錯。

這是幀同步信號，最終性能定格在14.6Hz
拍攝一段小豬佩奇看看效果
https://v.youku.com/v_show/id_XNTgxNTAwMDIzMg==.html

ID:972853 · 發(fā)表于 2021-10-23 23:51

總結(jié)篇
這次的兩版技術(shù)驗證性制作充分證明了現(xiàn)在高性能的51內(nèi)核可以有效驅(qū)動小型TFT和直接驅(qū)動低分辨率攝像頭，如果用STC的新款產(chǎn)品性能應(yīng)該會更好一些，因為中穎這款MCU雖然主頻高的變態(tài)但受制于中穎內(nèi)核比較老，多周期指令還是很多的，所以最終執(zhí)行效率反而不如其它新廠主頻四十M以上的產(chǎn)品。其實我本來是打算用STC做的，但STC的端口規(guī)劃太凌亂了而且仿真方面是弱項所以還是選了中穎的MCU，畢竟用了十幾年輕車熟路。
雖然最終性能指標(biāo)相當(dāng)突出但也還是為了驅(qū)動而驅(qū)動（主要是指攝像頭方面），51內(nèi)核的主流配置對于圖象數(shù)據(jù)量來說太可憐了，只能做個數(shù)據(jù)的搬運工，基本不用想做什么處理了，從內(nèi)核運算來看還是能夠擠出點時間做簡單處理的無奈RAM太小，即使做完二值化后再存儲也要十幾K容量了，對于51內(nèi)核的MCU基本找不到符合要求的。
對于中低分辨率TFT屏幕現(xiàn)在的高性能51是可以輕松驅(qū)動的，這完全可以進(jìn)一步應(yīng)用在產(chǎn)品中。
所有程序都是匯編語言寫的，這里就不公開了，有興趣探討的朋友可以就技術(shù)細(xì)節(jié)展開討論。

ID:884042 · 發(fā)表于 2021-10-31 11:54

TFT驅(qū)動都用匯編，牛啊！為你點贊！

ID:88256 · 發(fā)表于 2021-10-31 13:20

看到此帖我只能膜拜，真的是牛啊！

ID:942056 · 發(fā)表于 2022-3-4 06:45

找到組織了，我想利用緩存來全屏顯示，可以指教一下不

ID:1011477 · 發(fā)表于 2022-3-19 11:01

我用51也是匯編編程，四十年了，輕車熟路。

ID:1006444 · 發(fā)表于 2022-3-24 16:28

還以為是我也能學(xué)的事，，往后一看，，這調(diào)試我都搞不定

ID:1025635 · 發(fā)表于 2022-6-25 10:50

工程有點大，一般愛好者難于實施

ID:1026512 · 發(fā)表于 2022-6-26 11:44

正想搞個便宜的視頻采集方案，感謝樓主分享

ID:983641 · 發(fā)表于 2022-7-7 11:37

資料開源嗎？

ID:886773 · 發(fā)表于 2022-12-29 18:15

我用STC16位驅(qū)動LCD，感覺比SPI快不了多少，感覺瓶頸還是在W25Q讀取速度，，，樓主能分享下思路不？

ID:93626 · 發(fā)表于 2023-2-6 08:26

求資料開源

ID:93341 · 發(fā)表于 2023-2-7 10:09

老江湖不錯，值得學(xué)習(xí)。

ID:697751 · 發(fā)表于 2023-3-15 13:01

樓主好，能不能分享一下你這個原理圖哈，我想學(xué)習(xí)一下。感激不盡！

ID:1064915 · 發(fā)表于 2023-8-30 09:25

原來是大師級別的

ID:108361 · 發(fā)表于 2023-10-25 17:17

51刷屏，不用匯編做基本難做到流暢，我曾經(jīng)在C8051F340上跑100M主頻刷攝像頭+屏，容易出現(xiàn)畫面出錯，穩(wěn)定性還是不行，但是幀率還可以，要我用匯編寫一遍，那是萬萬干不來了

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