摘 要： 基于Keil for ARM集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一種以單片機(jī)STM32F103C8T6為核心的LCD12864液晶顯示系統(tǒng)，可以在屏幕任意位置實現(xiàn)字符顯示和圖形顯示，同時實現(xiàn)了貪吃蛇游戲的功能。該系統(tǒng)操作便捷，界面友好，具有功耗低、速度快、性價比高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： STM32F103C8T6；LCD12864；貪吃蛇游戲
0 引言
隨著社會的不斷發(fā)展，人們對終端顯示器的要求越來越高，體積小、重量輕、功耗低、清晰度高的LCD顯示器無疑成為大家心中理想的選擇[1]。與傳統(tǒng)的CRT相比，基于單片機(jī)的LCD顯示系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本低等優(yōu)點，在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中已得到廣泛的運用。本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)STM32F103C8T6和LCD12864的液晶顯示系統(tǒng)，可以實現(xiàn)字符、圖形的顯示，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個貪吃蛇游戲?qū)嵗?/p>
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
LCD顯示系統(tǒng)主要由單片機(jī)、LCD顯示模塊、電源模塊、4×4矩陣鍵盤、通信接口電路組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。
系統(tǒng)電源部分可以使用5 V電源端口供電，再通過3.3 V穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3得到單片機(jī)與LCD顯示模塊所需電源。單片機(jī)采用ST公司的芯片STM32F103C8T6，4×4矩陣鍵盤作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，采用LCD12864液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示部分。單片機(jī)系統(tǒng)通過處理鍵盤輸入數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的情況對顯示屏發(fā)出不同的操作指令。通信接口電路主要是由芯片PL2303構(gòu)成，它的功能主要是將電腦的USB接口轉(zhuǎn)換為串口，同時還將PC的邏輯電平轉(zhuǎn)換為與單片機(jī)系統(tǒng)相同的CMOS電平，方便程序的燒寫以及與上位機(jī)的通信。
1.1 Keil MDK和單片機(jī)STM32F103C8T6簡介
Keil MDK是德國Keil公司為基于Cortex-M、ARM7、ARM9等系列處理器提供的一款集成開發(fā)環(huán)境，支持程序的編輯、編譯、鏈接以及在線調(diào)試等功能，可以自動配置啟動代碼，簡單易學(xué)，性能優(yōu)越，能滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用[2]。
STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3內(nèi)核的單片機(jī)，2.0～3.6 Ｖ的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達(dá)72 MHz，具有單周期的乘法指令和硬件除法，以及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng)。同時它還具有64 KB的Flash存儲器與20 KB的SRAM存儲器，另外還集成了非常豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗、定時器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC接口等，具有成本低、速度快、性價比高等優(yōu)點。
1.2 液晶LCD12864顯示模塊
LCD12864液晶屏的數(shù)據(jù)接口是串行的，工作電壓為2.8~5.5 V，像素為128×64，顯示顏色為黑白色，背光顏色為藍(lán)色，不帶字庫。模塊內(nèi)部采用的控制器為ST7565P，功耗非常低，在省電模式下的工作電流最大僅為5 A，顯示模塊僅有8個引腳接口，占用主控制器的I/O數(shù)量少。LCD12864引腳說明如表1所示。
1.3 LCD12864與單片機(jī)STM32F103C8T6的硬件連接
單片機(jī)STM32F103C8T6與LCD顯示模塊的硬件連接非常簡單，如圖2所示。LCD12864引腳編號為1~5的控制端口可以直接與STM32F103C8T6單片機(jī)的GPIO口相連，第8引腳是LCD的背光電源端口，通過單片機(jī)的一個I/O口控制三極管的導(dǎo)通來控制背光電源的通斷，從而節(jié)省功耗[3]。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括LCD初始化、寫數(shù)據(jù)、寫命令，以及畫點、字符顯示等程序設(shè)計。液晶顯示模塊正常工作前，需要對其進(jìn)行初始化，主要包括復(fù)位液晶、確定顯示對比度、偏壓比等參數(shù)，然后才能實現(xiàn)字符、圖形以及其他的顯示功能。在向液晶顯示模塊寫入數(shù)據(jù)或者命令時，一定要注意寫入的時序，只有嚴(yán)格地按照時序編寫驅(qū)動程序才能正常工作。設(shè)計程序時，為了方便移植，可以將相關(guān)引腳的操作用宏封裝起來，如將片選引腳拉低的操作可以用宏LCD_CS_0（）定義[4-5]。寫數(shù)據(jù)命令的功能函數(shù)如下：
void LCD12864_WriteCommand（uint8 Cmd）
{……
LCD_CS_0（）；//打開片選
LCD_A0_0（）；//選擇寫命令
LCD_SCLK_0（）；//時鐘線置低
for（i=0；i<8；i++）{
if（Cmd &0x80）//如果輸出為1
LCD_SI_1（）；//SI數(shù)據(jù)線輸出為1
else
LCD_SI_0（）；//SI數(shù)據(jù)線輸出為0
LCD_SCLK_1（）；//寫入數(shù)據(jù)
Dat<<=1；
LCD_SCLK_0（）；//置低SCLK時鐘線
} LCD_CS_1（）；//關(guān)閉片選
}
寫數(shù)據(jù)功能函數(shù)void LCD12864_WriteData（uint8 Dat）實現(xiàn)方法與寫命令功能函數(shù)相同，只是打開片選后，選擇的是寫數(shù)據(jù)LCD_A0_1（）。
在設(shè)計LCD液晶驅(qū)動程序時，最基本的功能就是在屏幕的任意位置顯示一個點，然后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。但是每次寫入的數(shù)據(jù)都包含了8個點的信息，而且該LCD顯示模塊沒有讀控制端口，不能通過讀數(shù)據(jù)的命令了解其他7個點的狀態(tài)，這樣就不能達(dá)到最終的目的。為了解決這個問題，可以在單片機(jī)的內(nèi)存區(qū)開辟一個數(shù)據(jù)空間，來記錄顯示器上每個點的顯示情況，代碼如下：
static uint8 LCD_RAM[128*8]={0}；//開辟顯示緩沖區(qū)
void LCD12864_DrawPoint（uint8 x，uint8 y，uint8 Point_Flag）
{
if（Point_Flag==0）
{LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]&=（~（1<<（7-（y&0x07））））；}
if（Point_Flag==1）
{LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]|=（1<<（7-（y&0x07）））；}LCD12864_WriteCommand（0xB0+（7-（（y>>3）&0x0F）））；//寫頁地址
LCD12864_WriteCommand（0x10+（（x>>4）&0x0F））；
//寫列地址，高低字節(jié)兩次寫入
LCD12864_WriteCommand（0x00+（x&0x0F））；
LCD12864_WriteData（LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]）；
//寫入數(shù)據(jù)
}
因為液晶模塊未帶字庫，在字符顯示前，需要將其字模存入單片機(jī)的程序存儲空間中，然后在任意坐標(biāo)顯示一個點的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)字符的顯示。8×16字符顯示的驅(qū)動程序如下：
void LCD12864_PutChar8x16（uint32 Char_x，uint32 Char_y，uint8 c）
{……
Temp=Font8x16[c*16+i]；//獲取字模
for（j=0；j<8；j++）
{if（Temp&0x80）
{LCD12864_DrawPoint（Char_x+j，Char_y-i，1）；}
else{LCD12864_DrawPoint（Char_x+j，Char_y-i，0）；}
Temp<<=1；}}}
3 實例設(shè)計
以單片機(jī)STM32F103C8T6作為控制核心，在LCD12864驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了貪吃蛇游戲的功能。貪吃蛇游戲程序主要分為3個子程序模塊，即鍵盤掃描模塊、LCD12864驅(qū)動模塊和貪吃蛇游戲數(shù)據(jù)處理模塊。貪吃蛇程序流程圖如圖3所示。
游戲中的食物和蛇可以看作兩個不同的對象，它們的屬性可以用兩個結(jié)構(gòu)體變量來描述，然后根據(jù)游戲功能將整個大模塊合理地劃分為各個子模塊，并編寫相應(yīng)的功能函數(shù)，供主模塊函數(shù)調(diào)用。在設(shè)計程序時，定義蛇的最長長度為15，蛇運動區(qū)域的長為20個單位，寬為15個單位，即橫坐標(biāo)的坐標(biāo)范圍為1~20，縱坐標(biāo)的坐標(biāo)范圍為1~15。貪吃蛇游戲中定義了食物結(jié)構(gòu)體和蛇結(jié)構(gòu)體變量。食物結(jié)構(gòu)體定義為：
struct{uint8 X；uint8 Y；}Food；
蛇體的最大長度宏定義為：
#define SNAKE_LONG_MAX 15
蛇結(jié)構(gòu)體變量中定義了蛇體長度、蛇的等級和蛇的分?jǐn)?shù)，具體定義為：
struct{
uint8 X[SNAKE_LONG_MAX_]；
uint8 Y[SNAKE_LONG_MAX]；
uint8 Long；
uint8 Level；
uint16 Score；}Snake；
顯示無符號整形數(shù)據(jù)功能函數(shù)定義為：
void LCD12864_PutUintNumber（uint32 Num_x，uint32Num_y，uint32 Uint_Num，uint8 Num_N）
顯示或者熄滅一個蛇體單位功能函數(shù)定義為：
void DiaplaySnakePoint（uint8 x，uint8 y，uint8 Point_Stu）
判斷蛇是否死亡的程序如下：
if（（Snake.X[0]<1）||（Snake.X[0]>20）||（Snake.Y[0]<1）||（Snake.Y[0]>15））
{Game_Fail（）；}
for（i=4；i<Snake.Long；i++）{if（（Snake.X[0]==Snake.X[i]）&&（Snake.Y[0]==Snake.Y[i]））{Game_Fail（）；}}
判斷蛇是否吃到食物程序如下：
if（（Snake.X[0]==Food.X）&&（Snake.Y[0]==Food.Y））
{Snake.Long++；//蛇身長度加1
Snake.Score+=10；//得分?jǐn)?shù)增加
LCD12864_PutUintNumber（96，63-48，Snake.Score，4）；
//屏幕上更新分?jǐn)?shù)
Snake.X[Snake.Long-1]=Snake_End_x；
Snake.Y[Snake.Long-1]=Snake_End_y；
DiaplaySnakePoint（Snake_End_x，Snake_End_y，1）；
//蛇體向后增長1個單位
Put_Food（）；//放置食物
}Delayms（3000-300*Snake.Level）；//根據(jù)蛇體等級延時
在貪吃蛇游戲的程序設(shè)計中，放置食物的程序會涉及如何獲取隨機(jī)數(shù)的問題，為了增加游戲的隨機(jī)性，本次設(shè)計不采用偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方法，而是利用單片機(jī)的AD采樣引腳在懸空的情況下采樣，獲得的AD值作為隨機(jī)種子，然后通過一系列的運算來得到隨機(jī)數(shù)，經(jīng)過實踐得知，此種方式得到的隨機(jī)數(shù)更真實，效果很好。食物放置程序如下：
void Put_Food（void）{…..
AD_Temp=ADC_ConvertedValue；//獲取隨機(jī)種子
Food.X=（AD_Temp%20）+1；
//隨機(jī)獲取食物橫坐標(biāo)（1~20）
Food.Y=（AD_Temp%15）+1；
//隨機(jī)獲取食物縱坐標(biāo)（1~15）
……
DiaplaySnakePoint（Food.X，F(xiàn)ood.Y，1）；//顯示食物
}
4 結(jié)論
STM32F103C8T6是一款高性能的單片機(jī)，LCD12864硬件接口簡單，所占用單片機(jī)的I/O口資源非常少，單片機(jī)有足夠的硬件資源供其他外設(shè)使用，顯示系統(tǒng)可以作為其他嵌入式系統(tǒng)的一部分，運用于不同的顯示場合；系統(tǒng)的程序設(shè)計采用的是C語言，其移植性非常好，模塊化的設(shè)計思想可以在系統(tǒng)中靈活地擴(kuò)展其他功能，滿足不同的顯示要求。
參考文獻(xiàn)
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