用Arduino理念玩屏：硬件精简化+软件抽象化+结构艺术化=让液晶屏不吃灰

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一切的起始，要从某次入二手 19264 讲起，祸根系剁手所致。

应该是某地退役了一大批工业设备，才得以让这种屏比 12864 还便宜：



在这个触摸彩屏盛行的年代，牛屎单色液晶显得很不上档次。

怎么看都是上世纪的显示效果，偏偏简单好用，让这屏承载了太多对于高端设备的回忆。



Arduino 插上彩虹线，凑上对比度电位器，加载并行驱动。点亮没啥难度，甚至比插线过程还简单；

然这堆电线还外挂电位器着实不雅。于是决定折腾一下，让这些精巧的牛屎远离吃灰。


【硬件精简化】

大屏单色液晶采用 20 针并口通信，协议走 8080 或 6800 时序，部分型号支持 PSB 信号切换串行模式。
另需外挂一只电位器 RV 调节对比度，适配供电、温度差异下的最佳显示效果：



这么一套折腾下来，做固定功能的产品还算省事，有定制主板加持；
可到了日常随手连，密密麻麻排线加上外挂电位器，简直没法愉快玩耍。

反观同类并口 1602 字符屏，在 Arduino 生态下就有很好的改装方案：



图中黑色为 PCF8574 转接板，将 I2C 串行信号转到并行 1602，
同时集成灰度电位器、背光控制等一众功能；对外简单串行通信，方便连线，节省端口。

故而考虑在 19264 并行屏上引入类似机制，用于精简模块硬件连线。
虽然部分 19264 可通过 PSB 跳线改为串行模式，但为求通用性，统一当作并口液晶对待。

直接思路是 MPU 端使用三线 SPI 经 HC595 转为并口用于驱动 19264：



单加载数据端 D7:0 效率与直接的串口屏一致，单帧 SPI 就能加载 8bit 数据；
然而考虑到液晶 EN 线需要频繁的锁存脉冲，必须由额外的 SPI 帧来驱动，这会降低通信效率。

为此应适当放开部分 IO，将高频访问的控制线绕过串并扩展，直接交给 MPU 控制：



放开 IO 的设计，本质上又回归了并行通信的思路，因而必须谨慎对待。

手头几款并行液晶主控 KS0108、ST7920 默认采用 6800 总线，
每组指令/数据均为 EN 下降沿锁存，正好适配 HC595 的上升沿更新：



考虑到 LCM19264 的 6800-EN 信号需要频繁控制，不宜串行扩展，
故将 HC595 的 RCK 信号复用作 LCM19264 的 EN 信号，模块更为紧凑：



使用双 HC595 用作串并扩展，除 RCK 信号外共用 SPI 串行总线。
各自 RCK 信号用于区分 SPI 串并目标，实现数据、控制独立操作。

其中数据侧 D7:0 的 RCK_D 直接复用作 LCM19264 的写使能 EN 信号。
这样 RCK_D 上升沿 HC595 更新输出，下降沿液晶写入 D7:0 数据，两级完成无缝匹配。

先搞个万用板试下咸淡，除了外观巨大些，工作没毛病：



试好了赶紧打板，万用板辣么大不优雅：



装上蓝屏，跳线一连，顿时雅兴起：



至此基本确认双 HC595 硬件方案可行，并口屏无损直转四线串口，
板载灰度调节、背光控制，效果直追 1602 那个 I2C 驱动器。

比起直接 PSB 跳线改串行通信，兼容性和模块抽象是此次折腾的重点，
因而有必要深入到软件层面，继续折腾 HAL 封装，精简系统。


【软件抽象化】

玩 Arduino 图形编程怎能少了 U8g2 驱动库，一套代码几乎涵盖了所有单色点阵的场合，从液晶到 LED，简单粗暴疗效好。

本质上 U8g2 是一个多芯片的驱动合集，得益于 C++ 继承与派生特性，驱动库实现了 HAL 抽象封装，最高层 class U8G2 即为用户接口：



如果只是简单复制粘贴 U8g2 代码，就太浪费这个库的高层性能；
把新设计的串并转接板，连同 19264 液晶一同整合进 U8g2，才能玩的尽兴。

同样得益于 C++ 继承与派生，这种整合无需修改库文件，纯靠 “源码插件” 就能实现全部功能。
这样即使库文件定期升级更新，也不会影响到自制驱动效果：



如上图所示，绿色为 “源码插件”：在用户工程中添加全新派生类，编写底层 HC595 访问代码，最终实现与硬件完美匹配。
如下是驱动文件 Latch19264.h/.cpp 的编写预览：



驱动编写过程可以参考 U8g2 库里现成的液晶驱动类，除使用 C++ 语法实现 U8G2 派生类外，
着重移植 Display 和 Transfer 两个接口，前者对应液晶基础操作（含初始化代码），后者对应硬件基本传输（含串并转换）。

硬件驱动文件 Latch19264.h/.cpp 作为插件与用户工程一并编译，如下工程中定义了两套液晶，都是双 HC595 四线串并接口：



然后接上相应数据线，总计 4+4=8 (IO)，实现单机双屏 19264 显示：



同为并口屏，顺手画了 12864 的串并转换单元，挂三个上来试试水：



一片只有 2KB 动态内存的 ATMEGA328 单片机，此时驱动了多片 19264、12864 进行独立图形显示，并且支持透明颜色绘图。
这在没有 U8G2 加持的时代，几乎是噩梦级的编程要求。

更进一步，需要综合测试上述【硬件精简】+【软件抽象】共同折腾出的显示单元帧率。
主控选用 Arduino 标准的 ATMEGA328，主频也为标准的 16MHz，以 Arduino 时基 millis( ) 作为计时单元。

实测单次 19264 全屏刷新时间约为 83ms，对应 12fps 帧率；
实测单次 12864 全屏刷新时间约为 70ms，对应 14fps 帧率。

这样的性能对于串行屏已然够用，毕竟重点关注的是简洁性与兼容性。


【结构艺术化】

家里领导是搞艺术的，对电路可谓一窍不通。串并虽然简化了连线，
但这种缺少日常使用场景的玩意，显然会被当成废品对待。

目前最大的问题在于，屏幕加上转接板没法自行站立显示，影响效果。
索性参考下美术生的画板架，屏支架就该这样搞：



屏幕尺寸简单量一量，CAD 左右夹持式支架画起来：



整体设计成前后左右上下倾斜到处可调，画好了凑方块拿去激光切割：



组装效果#1，窄版 12864，下排针插串并转接：



组装效果#2，宽版 19264，侧排针插串并转接：



至此，结构也成功艺术化了，终于可以光明正大摆桌面上被领导骂。


【不吃灰】

折腾这么久，就是防止剁手的液晶在箱子里吃灰。现在整机已然模块化，终于可以放开搭系统了。

先模拟个 MatrixOrbital，配合 AIDA64 玩个桌面副屏：



感谢 U8g2 的 GDI 加持，超大文字甚至不用自己取模，挑个喜欢的字体就有：



换个更随意的玩玩，AMG8833 红外热像仪，用像素抖动实现灰度，进而显示温度场：



当然，喜闻乐见的刷妹纸环节不能少，这次用 Arduino 板载电池带一下：



至此，巨大的 12864、19264 并口屏，终于也像其他 Arduino 模块一样简洁高效；
随手插上核心板，电气系统随思路喷涌而出。

附上上述 Arduino 代码，整理不易，仅在本坛分享： Firmware(19264 12864).rar (35.48 KB, 下载次数: 11)

2024-3-14 02:13 上传

点击文件名下载附件

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以上，用 Arduino 理念对 19264、12864 这类并口屏进行了全方位精简设计：
硬件上实现了通用四线串行通信，软件上编写了插件式 U8g2 驱动，外形上设计了仿画板支架。

终于折腾成简单易玩的显示单元模块。

最后祝大家 DIY 愉快！

orsonzou

论软件方面的抽象， esphome 的 lua 脚本就能搞定各种屏幕

11651189

完全看不懂，但知道楼主忒厉害了！

aacyxjz

膜拜大佬，前排围观

leafchy

这个做电子钟不错，屏幕够大。

yanghc

确实改进很多，方便很多，对DIY更实用了。

liuhaob

这个好专业啊

huaziy2k

高手，高级

mitcher

围观羡慕下。。。。不会编程的路过。。。

lmn2005

楼主的19264应该是好久以前入手的吧，现在的价格不低的。

kkdkj

硬件上能不能直接设计成IIC的接口？现在没分了，等有分了给你补。

zzchao1975

电子钟不错，工科就是会玩

lmn2005

白底背光比较好看。真佩服楼主的技术！请问电子钟架子是什么材料的？

bboroo

这种单色并口屏比彩色液晶屏还贵，驱动也麻烦，除非一些特殊场合，否则早该被淘汰了。

宇扬

有技术就是会搞花样繁多

纯今

抽象化能力：抽象是软件开发中的一个重要概念，它允许开发者将复杂的底层细节隐藏起来，只关注高层次的逻辑和功能
楼主老师，最低起码是哈工大硕士生导师

t3486784401

orsonzou 发表于 2024-3-14 07:02
论软件方面的抽象， esphome 的 lua 脚本就能搞定各种屏幕

没玩过 lua， 主力的 328 跑这个有点吃力

t3486784401

11651189 发表于 2024-3-14 07:23
完全看不懂，但知道楼主忒厉害了！

牺牲一些运行效率，换来系统+开发的便捷性，就是这么个思路

t3486784401

aacyxjz 发表于 2024-3-14 07:57
膜拜大佬，前排围观

感谢支持哈

t3486784401

leafchy 发表于 2024-3-14 08:18
这个做电子钟不错，屏幕够大。

这种老液晶，就是屏幕大看着舒心。

玩了诸多彩屏、OLED， 时间久了发现小屏除了便携设备，没啥亮点。
显示效果甚至不如这种大型的单色屏好看