摘  要： 基于Keil for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)字符顯示和圖形顯示，同時(shí)實(shí)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(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： STM32F103C8T6；LCD12864；貪吃蛇游戲

0 引言

　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)終端顯示器的要求越來(lái)越高，體積小、重量輕、功耗低、清晰度高的LCD顯示器無(wú)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(jiǎn)單、控制方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中已得到廣泛的運(yùn)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)STM32F103C8T6和LCD12864的液晶顯示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)字符、圖形的顯示，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)貪吃蛇游戲?qū)嵗?/p>

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(pán)、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(guò)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(pán)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(guò)處理鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的情況對(duì)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(shí)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(xiě)以及與上位機(jī)的通信。

　　1.1 Keil MDK和單片機(jī)STM32F103C8T6簡(jiǎn)介

　　Keil MDK是德國(guó)Keil公司為基于Cortex-M、ARM7、ARM9等系列處理器提供的一款集成開(kāi)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(dòng)配置啟動(dòng)代碼，簡(jiǎn)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(jí)可編程的中斷系統(tǒng)。同時(shí)它還具有64 KB的Flash存儲(chǔ)器與20 KB的SRAM存儲(chǔ)器，另外還集成了非常豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門(mén)狗、定時(shí)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(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　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(kù)。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(gè)引腳接口，占用主控制器的I/O數(shù)量少。LCD12864引腳說(shuō)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(jiǎn)單，如圖2所示。LCD12864引腳編號(hào)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(guò)單片機(jī)的一個(gè)I/O口控制三極管的導(dǎo)通來(lái)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(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括LCD初始化、寫(xiě)數(shù)據(jù)、寫(xiě)命令，以及畫(huà)點(diǎn)、字符顯示等程序設(shè)計(jì)。液晶顯示模塊正常工作前，需要對(duì)其進(jìn)行初始化，主要包括復(fù)位液晶、確定顯示對(duì)比度、偏壓比等參數(shù)，然后才能實(shí)現(xiàn)字符、圖形以及其他的顯示功能。在向液晶顯示模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者命令時(shí)，一定要注意寫(xiě)入的時(shí)序，只有嚴(yán)格地按照時(shí)序編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序才能正常工作。設(shè)計(jì)程序時(shí)，為了方便移植，可以將相關(guān)引腳的操作用宏封裝起來(lái)，如將片選引腳拉低的操作可以用宏LCD_CS_0（）定義[4-5]。寫(xiě)數(shù)據(jù)命令的功能函數(shù)如下：

　　void LCD12864_WriteCommand（uint8 Cmd）

　　{……

　　LCD_CS_0（）；//打開(kāi)片選

　　LCD_A0_0（）；//選擇寫(xiě)命令

　　LCD_SCLK_0（）；//時(shí)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(xiě)入數(shù)據(jù)

　　Dat<<=1；

　　LCD_SCLK_0（）；//置低SCLK時(shí)鐘線

　　} LCD_CS_1（）；//關(guān)閉片選

　　}

　　寫(xiě)數(shù)據(jù)功能函數(shù)void LCD12864_WriteData（uint8 Dat）實(shí)現(xiàn)方法與寫(xiě)命令功能函數(shù)相同，只是打開(kāi)片選后，選擇的是寫(xiě)數(shù)據(jù)LCD_A0_1（）。

　　在設(shè)計(jì)LCD液晶驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，最基本的功能就是在屏幕的任意位置顯示一個(gè)點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。但是每次寫(xiě)入的數(shù)據(jù)都包含了8個(gè)點(diǎn)的信息，而且該LCD顯示模塊沒(méi)有讀控制端口，不能通過(guò)讀數(shù)據(jù)的命令了解其他7個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，這樣就不能達(dá)到最終的目的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在單片機(jī)的內(nèi)存區(qū)開(kāi)辟一個(gè)數(shù)據(jù)空間，來(lái)記錄顯示器上每個(gè)點(diǎn)的顯示情況，代碼如下：

　　static uint8 LCD_RAM[128*8]={0}；//開(kāi)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(xiě)頁(yè)地址

　　LCD12864_WriteCommand（0x10+（（x>>4）&0x0F））；

　　//寫(xiě)列地址，高低字節(jié)兩次寫(xiě)入

　　LCD12864_WriteCommand（0x00+（x&0x0F））；

　　LCD12864_WriteData（LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]）；

　　//寫(xiě)入數(shù)據(jù)

　　}

　　因?yàn)橐壕K未帶字庫(kù)，在字符顯示前，需要將其字模存入單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間中，然后在任意坐標(biāo)顯示一個(gè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)字符的顯示。8×16字符顯示的驅(qū)動(dòng)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(shí)例設(shè)計(jì)

　　以單片機(jī)STM32F103C8T6作為控制核心，在LCD12864驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了貪吃蛇游戲的功能。貪吃蛇游戲程序主要分為3個(gè)子程序模塊，即鍵盤(pán)掃描模塊、LCD12864驅(qū)動(dòng)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(gè)不同的對(duì)象，它們的屬性可以用兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量來(lái)描述，然后根據(jù)游戲功能將整個(gè)大模塊合理地劃分為各個(gè)子模塊，并編寫(xiě)相應(yīng)的功能函數(shù)，供主模塊函數(shù)調(diào)用。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，定義蛇的最長(zhǎng)長(zhǎng)度為15，蛇運(yùn)動(dòng)區(qū)域的長(zhǎng)為20個(gè)單位，寬為15個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)度、蛇的等級(jí)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(wú)符號(hào)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)1個(gè)單位

　　Put_Food（）；//放置食物

　　}Delayms（3000-300*Snake.Level）；//根據(jù)蛇體等級(jí)延時(shí)

　　在貪吃蛇游戲的程序設(shè)計(jì)中，放置食物的程序會(huì)涉及如何獲取隨機(jī)數(shù)的問(wèn)題，為了增加游戲的隨機(jī)性，本次設(shè)計(jì)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(guò)一系列的運(yùn)算來(lái)得到隨機(jī)數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐得知，此種方式得到的隨機(jī)數(shù)更真實(shí)，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(jiǎn)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(yùn)用于不同的顯示場(chǎng)合；系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言，其移植性非常好，模塊化的設(shè)計(jì)思想可以在系統(tǒng)中靈活地?cái)U(kuò)展其他功能，滿足不同的顯示要求。

參考文獻(xiàn)

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