STC8A8K64S4A12通过SPI接口操作基于ST7920的LCD12864液晶模块

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1. 硬件连接

1.1 64引脚的STC8A8K64S4A12

　　使用的是最小核心板，所以引脚皆引出可供使用。其他接口只有USB口，起到供电及下载烧写的作用。

1.2 12864液晶模块

　　店家提供的使用说明较为杂乱，后续除模块信息外，关于控制芯片的内容均参考ST7920手册。

• 显示控制芯片使用的是ST7920
• 模块有20个外接引脚（见图2）
• PCB背板有选择串口和并口的两组焊点，短接后可分别选择串口和并口
• 背板有一个可调电阻，用以调节对比度

1.3 连接方式

　　因为还有其他几个外接模块，显示模块采用并口会占用过多I/O口，所以采用SPI串口连接方式，连接示意图及照片图1、图2所示。

图1：连接示意图

 图2：照片示意图

　　其中有几点需要特别说明：

1.3.1 模块的RST复位引脚是否需要连接

　　模块手册上明确说明上电后模块自动复位，开始将RST连接到GND没有发现问题，但在调试过程中发现，如果上一次程序跑飞，液晶模块显示满屏“雪花”（注意不是乱码），下次烧写后无论程序对错，屏幕基本上保持原样，会影响到思路判断，还以为是程序仍然没有调试正确。估计其原因是ST7920被跑飞的程序置于某种状态，不再接收正确的指令了。

　　因此，在调试过程中还是要连上此脚加上复位功能。即便是正式发布的程序，在系统无断电机会时，为了避免潜在Bug的影响，还是加上复位控制为好。

　　ST7920手册记载，RST为低电平复位，保持时间在10us以上。

1.3.2 ST7920片选引脚是否连接

　　如果只有一个外设使用SPI总线，可以不用将CS连接到单片机，直接将CS连接到Vcc即可，CS高电平有效。SPI总线上的设备超过一个时，就需要单片机控制CS信号了。

1.3.3 单片机SPI接口的SS脚如何处理

　　SPI控制寄存器SPCTL的B7位SSIG明确了SS的功能。SSIG英文全称应该是Selected Slave Ignore（杜撰），字面意思是“忽略被选为从机的信号”，即STC8是否允许其他设备通过拉低SS脚电平把自己作为从机，SSIG=0代表允许，SSIG=1代表不允许。因此，在STC8总是作为主机的情况下，可以不用连接SS脚，软件配置上有两种选择

• SSIG=1，忽略SS脚信号的控制作用。这种情况下，SS脚是否能做他用有待验证。
• SSIG=0，配合SPCTL的B4位MSTR=1来保持主机地位。

　　ST7920就是被动接收信息，不会作为主机控制SPI总线，模块也没有提供响应的引脚，因此就ST7920而言不用连接SS脚。但是我计划SPI总线上还有其他设备有可能以主机身份存在，因此SS脚暂时悬空，程序中仍然配置SSIG=0。

1.3.4 电源电压问题

　　模块手册明确使用电压3.3-5.3V，实际接到5V电源时背光明亮，3V时柔和舒适，除此之外还需要调整一下PCB背板上的对比度可调电阻，否则字迹显示不清楚。

2. STC8A8K64S4A12的SPI接口配置及操作

　　该芯片使用SPI接口需要4个步骤，之后就可传输数据了。可根据实际情况省略前两个步骤：

• 选择I/O口
• 选择I/O口工作模式
• 配置SPI控制寄存器
• 中断使能

2.1 接口配置

2.1.1 选择I/O口

　　该芯片可将SPI功能脚配置到四组不同的I/O口，可以根据需要进行选择，外设端口切换寄存器1“P_SW1”的B3和B2位SPI_S[1:0] (SPI_Select)就起到这个作用，详情见表1和表2。

　　因为P7口的复用功能比较少，我先将SPI配置到P7上，即SPI_S=10。这两位的上电复位默认值为“00”，若忽略选择I/O口这一步，SPI的I/O口将被定位在P1的4个口上。

  表1：SPI端口切换寄存器（表中第二个）

   表2 SPI功能脚选择位

2.1.2 选择I/O口工作模式

　　该芯片所有I/O口都有四种工作模式：准双向口、推挽输出、高阻输入和开漏输出，可根据需要进行选择。需要配置寄存器是P0M1、P0M0 – P7M1、P7M0，共8对分别对应P0~P7。这些端口上电复位值均为0，如果忽略该步骤，所有I/O口均工作在准双向模式。我的方案就是省略该步骤采用默认值，也就是说SPI的四个口都工作在准双向模式。

　　P0~P7（P4没有4.5~4.7口）每个端口都有两个端口模式寄存器，例如：P0口的B7~B0位对应的两个模式寄存器是P0M1和P0M0的B7~B0位，这一对寄存器用来确定对应的I/O口工作在四种模式中的哪一种。PnM1.x和 PnM0.x（n=1~7）分别为：

• 00：准双向口：灌电流20mA，拉电流270~150uA。可见准双向口提供的驱动能力是有较大差异的，某个口为0时可容纳20mA电流流入，为1时输出电流要小约100倍（74-133倍）
• 01：推挽输出：向上拉输出，可达20mA，要加限流电阻
• 10：高阻输入：电流既不能流入，也不能流出，需要配合外部电路实现0、1的功能
• 11：开漏输出：外加上拉电阻时，即可输入也可输出，否则读不到外部状态，也对外输不出高电平

2.1.3 配置SPI控制寄存器SPCTL（SPI Control Register）

　　该寄存器的配置是操作SPI总线的重头戏，该寄存器的结构如表3所示。因为不用考虑兼容8051，SPI的所有控制位都集中到这个寄存器中。

   表3 SPI三个寄存器的结构

　　SPCTL共8个位，可以实现SPI总线7个方面的功能控制，为便于理解，下面尽可能用通俗的语言进行描述。

2.1.3.1 [B7]SSIG（Selected Slave Ignore）

　　英文直译的意思是“忽略从设备选择信号”，芯片手册上称之为“SS引脚功能控制位”，但这个叫法不太容易理解，实际上就如本文1.1.3所言，其功能就是“是否允许其他设备通过拉低SS脚电平把自己作为从机”。

　　SSIG的两种状态通俗的讲，就是话语权的问题，理解了这一点对“单主单从”、“互为主从”、“一主多从”的设置很关键：

• 0：允许其他设备占主动权，若想将本机作为从机，其他设备将本机SS脚电平拉低就可实现这个目的。
• 1：我永远占主动权，是主是从你们说了不算，我说了才算。让你们是从机的时候，你们就是从机，这时B4位MSTR=1，即表示我是主机，你们是从机；让你们是主机的时候，你们才能是主机，这时B4位MSTR=0，表示我是从机。

 2.1.3.2 [B6]SPEN（SPI Enable）

　　SPI使能控制位，0=关闭SPI功能，1=使能。

2.1.3.3 [B5]DORD（Data Order）

　　数据位收发时的顺序，0=先高位MSB，1=先低位（LSB）。ST7920要求先高后低，因此该位应该设为0。

2.1.3.4 MSTR（Master）

　　MSTR：器件主/从模式选择位，SSIG章节已经掰嗤清楚了，这里不说了，抄手册。

　　设置主机模式：

• 若 SSIG＝0，则 SS 管脚必须为高电平且设置 MSTR 为 1
• 若 SSIG＝1，则只需要设置 MSTR 为 1（忽略 SS 管脚的电平）

　　设置从机模式：

• 若 SSIG＝0，则 SS 管脚必须为低电平（与 MSTR 位无关）
• 若 SSIG＝1，则只需要设置 MSTR 为 0（忽略 SS 管脚的电平）

2.1.3.5 [B3] CPOL（Clock Polarity，SPI时钟极性控制）与[B2] CPHA（Clock Phase，SPI时钟相位控制）

　　CPOL：SPI 时钟极性控制。

• 0：SCLK 空闲时为低电平，SCLK 的前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿
• 1：SCLK 空闲时为高电平，SCLK 的前时钟沿为下降沿，后时钟沿为上升沿

　　CPHA：SPI 时钟相位控制

• 0：数据 SS 管脚为低电平驱动第一位数据并在 SCLK 的后时钟沿改变数据，前时钟沿采样数据（必 须 SSIG＝0）
• 1：数据在 SCLK 的前时钟沿驱动，后时钟沿采样

　　手册中给出的描述很简单，但是理解起来很是困难，有一篇帖子说的再明白不过了，摘抄了一张图稍作修改（图3），原文链接：高手带你理解SPI中的极性CPOL和相位CPHA。

   图3：SPI时钟极性与相位示意图

　　我在这里遇到理解障碍主要有两点，对于判断这两位的高低十分重要。

1. 手册中说的SCLK空闲时间指的是什么时间？

　　答：指的是SPI总线启动前的时间。以ST7920为例，其时序图如图4所示，图中的时间是我根据手册数据加上去的。传输数据之前SCLK处于高电平状态，即极性CPOL=1。可恨的是手册写的水平不高，也可能是我理解能力有限，手册还给出了一张图（图5），正好拧着，好坑人。

   图4：ST7920串口时序图

   图5：坑人的另一张图

 　　2.       哪里算作SCLK的开始时间？

 　　明确开始时间，才能搞清楚哪里是第一个时钟沿，哪里是第二个时钟沿。搞清楚第一个问题后，这个问题就十分容易了。不难看出ST7920要求相位CPHA = 1。

 2.1.3.6 SPR[1:0]

 　　英文应该是SPI Rate，即SPI时钟的波特率，占B1和B0两个位。手册给出的数值为：

• 00：SYSclk÷4
• 01：SYSclk÷8
• 10：SYSclk÷16
• 11：SYSclk÷32

 　　由此可见，在该单片机系统时钟固定的情况下，SPI时钟的波特率只有4种选择，分别是系统时钟的4、8、16、32分频。如果想使用其他频率，就必须调整系统时钟频率了。

 　　我选择的系统时钟频率是22.1184MHz，应该选择哪个分频还需要看ST7920的要求，ST7920在两种电压下对时钟周期的要求是不同的，见表4和表5。可见在工作电压越低，ST7920的工作速度越慢，在2.7V条件下的时钟周期Tscyc最小为600ns，在4.5V时最小为400ns。STC8A8K64S4A12的工作电压我选择的是3V，因此按照2.7V的600ns来计算肯定可以满足ST7920的要求。

1秒÷600纳秒=1.67MHz，这是ST7920要求的频率上限。

 　　有了这个数就好办了，一一计算22.1184MHz的四种分频，不难得出选择16分频为佳，22.1184 MHz÷16 = 1.3824MHz。因此SPR[1:0]的这两位选择10。

  表4：ST7920在4.5V条件下的时间要求

 

 表5：ST7920在2.7V条件下的时间要求

2.2 SPI中断的使能操作

 　　使能操作要简单的多，SPI的使能位在IE2的B1位------ESPI，见表6。先将ESPI=1，再打开总中断EA=1，就完成了SPI的使能操作。

 

   表6：中断使能寄存器 IE2

2.3 SPI传输数据操作

 　　使用SPI传输数据涉及两个寄存器，就是表1中的状态寄存器SPSTAT（SPI Status Register）和数据寄存器SPDAT（SPI Data Register）。

 　　这里只有两点需要说明：

 　　1.       按说可以利用SPI中断自动实现SPI的数据传输，可我反复尝试最终失败了，还是选择了常规的发送数据后，等待中断产生，手工清除状态寄存器的方式。有可能是STC8手册《A.2 关于使用CLR指令关闭EA的重要说明》提到“使用4级流水线”的原因。

 　　2.       状态寄存器标识位的清零需要写1（SPSTAT = 0xc0），不能使用常规的清零方法（SPSTAT = 0）。

3. ST7920的操作

 　　SPI串口设置好了，就可以根据ST7920手册要求顺利操作了，网上的例子也多。

 　　这里需要说明的是：

 　　1、 选择串口方式，需要将背板上的“S”点，用焊锡短接，见图6。这一点根据模块不同可能有不同的方式。

 图6 模块PCB背板局部 

 　　2 、网上的例子中每次操作ST7920配的延时时间各不相同，我尝试了一下，各种操作只要保证手册要求的72us即可（清屏操作需等待1.6ms）。这有可能与采用的显示控制芯片有关。

 　　3 、串口方式向ST7920发送命令或数据的步骤

 　　发送每个命令或数据都要发送三个字节的信息：

• 第一个字节：启动字节。若后面跟的是命令，启动字节=0xf8；后面跟的是数据启动字节=0xfa。
• 第二、三个字节：要发送的命令或数据。原本命令或数据都是一个字节8位的，发送时需要拆成两次发送，第二个字节的高4位是命令或数据字节的高4位，第三个字节的高4位是命令或数据字节的低4位，空出来的位均为0。

 　　4 、关于DDRAM地址与屏幕坐标的关系

 　　这一点手册中说的也不太清楚，用表格表示一下，见表7。表中的数字均为16进制，例如80表示0x80；每个地址应该是个16位数，以0x80为例说明，高8位表中用80.H表示，低8位表中用80.L表示。

  表7 屏幕坐标和DDRAM地址的对应关系

 4 主要程序

 　　因为我使用Visual Studio 2019作为编辑器，所以使用了更多的VS习惯，以便更多的利用VS的自动提示功能。如何在VS中编辑，在Keil中调试请见：如何发挥Visual Studio 2019强大的编辑功能轻松编辑Keil项目。

 1 //SPI配置
 2 #include <STC8.H>
 3 #include "System.h" //主要定义了unsigned char为u8等等
 4 
 5 /// <summary>
 6 /// SPI单主多从模式的主机初始化
 7 /// </summary>
 8 /// <param name="dataOrder">传输字节哪头优先</param>
 9 /// <param name="clockPolarity">时钟极性控制</param>
10 /// <param name="clockPhase">时钟相位控制</param>
11 /// <param name="spiSpeed">时钟频率</param>
12 /// <param name="pinSelect">功能脚组别选择</param>
13 /// <returns></returns>
14 void STC8_SPI_One_Master_Many_Slave_Init(u8 dataOrder, u8 clockPolarity, u8 clockPhase, u8 spiSpeed, u8 pinSelect )
15 {
16     // 第一步：选择输出脚
17     P_SW1 &= 0xf3; // P_SW1同时还负责着串口1、CCP的管脚选择，注意不能覆盖
18     P_SW1 |= pinSelect;
19     //第二步：配置IO脚工作模式为准双向口/弱上拉，即处于00
20     //第三步：控制寄存器配置
21     SPCTL = 0x50; 
22     SPCTL |= (dataOrder | clockPolarity | clockPhase | spiSpeed);
23     SPSTAT = 0xc0; //写1清零
24     IE2 |= ESPI; //使能SPI中断
25     EA = 1;
26 }

 

　　上边程序片段用的到几个宏在包含文件中：

#include "System.h"
#define STC8_SPI_PIN_P12_P13_P14_P15 0x00 // SPI输出脚按顺序分别是SS/MOSI/MISO/SCLK
#define STC8_SPI_PIN_P22_P23_P24_P25 0x04 // SPI输出脚按顺序分别是SS/MOSI/MISO/SCLK
#define STC8_SPI_PIN_P74_P75_P76_P77 0x08 // SPI输出脚按顺序分别是SS/MOSI/MISO/SCLK
#define STC8_SPI_PIN_P35_P34_P33_P32 0x0c // SPI输出脚按顺序分别是SS/MOSI/MISO/SCLK

#define STC8_SPI_DATA_ORDER_MSB_FIRST 0x00 // SPI传送字节高位在先，0000 0000
#define STC8_SPI_DATA_ORDER_LSB_FIRST 0x20 // SPI传送字节低位在先，0010 0000
#define STC8_SPI_POLARITY_IDLE_LOW 0x00 // SPI时钟空闲时低电平，0000 0000
#define STC8_SPI_POLARITY_IDLE_HIGH 0x08 // SPI时钟空闲时高电平，0000 1000
#define STC8_SPI_PHASE_SAMPLING_FIRST_EDGE 0x00 // 在第一个时钟沿采样    ，0000 0000
#define STC8_SPI_PHASE_SAMPLING_SECOND_EDGE 0x04 // 在第二个时钟沿采样，0000 0100
#define STC8_SPI_SPEED_SYSCLOCK_DIVIDE_4 0x00 // SCLK频率为SYSclk 4分频，0000 0000
#define STC8_SPI_SPEED_SYSCLOCK_DIVIDE_8 0x01 // SCLK频率为SYSclk 8分频，0000 0001
#define STC8_SPI_SPEED_SYSCLOCK_DIVIDE_16 0x02 // SCLK频率为SYSclk 16分频，0000 0010
#define STC8_SPI_SPEED_SYSCLOCK_DIVIDE_32 0x03 // SCLK频率为SYSclk 32分频，0000 0011

/// <summary>
/// SPI单主多从模式的主机初始化
/// </summary>
/// <param name="dataOrder">传输字节哪头优先</param>
/// <param name="clockPolarity">时钟极性控制</param>
/// <param name="clockPhase">时钟相位控制</param>
/// <param name="spiSpeed">时钟频率</param>
/// <param name="pinSelect">功能脚组别选择</param>
/// <returns></returns>
void STC8_SPI_One_Master_Many_Slave_Init(u8 dataOrder, u8 clockPolarity, u8 clockPhase, u8 spiSpeed, u8 pinSelect);

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