互联网不景气了那就玩玩嵌入式吧,用纯.NET开发并制作一个智能桌面机器人(二):用.NET IoT库编写驱动控制两个屏幕

前言

从.NET IoT入门开始这篇文章想必大家应该都看过了,也有很多人都该着手购买树莓派Zero 2W进行上手体验了,那么我们这篇文章就开始真正的实践了,玩硬件肯定是要亲自操作得出成果才会开心,由于牵扯到硬件,所以有的时候软件没问题,但是硬件接线错误或者接触不良都会结果不正常,这个时候就需要我们有个强大的内心了,不能被困难打倒,不能半途而废,图上的为我画的PCB板子最终脱离数据线的效果。
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问题解答

上一篇文章里有人问外壳模型的问题,这个我是自己设计的模型,后面我会把设计文件都开源出来,大家可以通过自己的3D打印机打印,也可以去一些在线平台下单打印都可以操作,这个不用担心。

关于电路板,这个桌面机器人我为了简化线路,绘制了一个ups板子,外加把显示屏的线路也整合到一起了,但是这篇文章还用不到这个电路板子,我们可以通过屏幕模块和杜邦线之类的进行验证测试。
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上篇文章还有人推荐nanoframework的,这个框架是针对esp32和stm32的单片机提供的库,不是完整的.NET,好多东西都是定制的,所以和我文章里的做法是有一些区别的,这个大家有兴趣可以玩玩看。

还有个小问题,就是为什么我在发布项目的时候不选择专有的Arm64版本,这个主要是简化大家的操作,因为有的小白用户,让他多操作一个肯定是要多记住一步,这样也不好,而且有时候一些项目我们想在电脑测试完之后直接复制到树莓派上,这样可移植版本也不用在重新发布了。

名词解释

1. 什么是GPIO

GPIO(General-purpose input/output)即通用输入输出端口,是嵌入式设备中非常基础的一部分。它们允许嵌入式系统与外界环境交互,可以被配置为输入或输出模式。在输入模式下,GPIO可以读取来自传感器、开关等外部设备的信号;在输出模式下,它可以控制LED灯、电机等外部设备。GPIO是硬件和软件之间通信的桥梁,通过编程可以灵活地控制它们进行各种操作。

2. wiringPi,BCM,BOARD编码关系和区分

BOARD编码中的37号引脚,在wiringPi 中的编码就是25号引脚,在BCM中的编码就是26号引脚,他们有的功能都是GPIO.25(通用输入输出管脚25),BOARD编码和BCM一般都在python库中使用,而wiringPi一般用于C++等平台。注意,.NET IoT默认使用的BCM所以大家接线注意对着BCM进行接线和代码编写。
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3. 什么是SPI

SPI,是英语Serial Peripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议,比如MSP430单片机系列处理器。

准备工作

1. 硬件准备

首先购买屏幕模块1.47寸和2.4寸总共两个(用于学习测试),裸屏两块用于最后机器人复刻(如果只是学习可以只买模块),外加杜邦线公对公,母对母和公对母。建议大家准备风枪烙铁和镊子之类的工具。我使用的屏幕如下,大家可以根据需要购买下。

头部屏幕是2.4寸的屏幕,屏幕驱动芯片为ST7789V2。
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胸部的显示屏为1.47寸的小屏幕,微雪的这个屏幕模块有点贵,不过资料很全,我的屏幕驱动代码就是参考他们的资料实现的,屏幕驱动芯片为ST7789V3。
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如果模块调试都ok了,胸有成竹了,后面直接买裸屏就可以很便宜了。
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杜邦线如下:
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由于两款屏幕的驱动芯片都是同一系列的,所以驱动编写起来基本上没太大的区别。

2. 软件环境准备

能够正常运行Visual Studio的电脑,和安装了.NET环境的树莓派,并且能够ssh登录和使用filezilla上传文件,上面文章有说怎么操作,这里就不展开了。

.NET IoT库实现原理解释

1. 库介介绍

适用于IoT的 .NET,使用在 Raspberry Pi、HummingBoard、BeagleBoard、Spring A64 等上运行的 C# 和 .NET 生成 IoT 应用。
利用开源库和框架与专用硬件(如传感器、模拟到数字转换器、LCD 设备)交互。

2. 整体项目结构分析

.NET IoT是开源的,点击打开开源地址,项目主要包含两部分。

第一部分System.Device.Gpio目录,主要是一些系统级别的SPI,I2C,GPIO和PWM的实现。
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第二部分,是一些针对外设封装好的开箱即用的轮子,如果我们将屏幕抽象出来之后,也可以针对具体的芯片贡献这些代码。

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3. 基于SPI的实现进行源码分析

在Linux系统中,有一句经典的话:“一切皆文件”(Everything is a file)。所以SPI设备也不例外,在树莓派中也是看作文件来处理。

首先我们通过下面的指令进入到树莓派配置页面。

sudo raspi-config 

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选择第三个的接口配置项里,然后启用SPI接口,这样SPI设备就算是可以使用了。
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通过树莓派的指令 ls -l /dev/spi* 列出spi设备我们能看到以下设备,就算正常了。

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再结合.NET IoT源码,我们会发现,其实.NET IoT针对linux上的SPI设备的通讯就是通过操作这个SPI设备文件实现的。

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创建SPI设备的时候,是根据不同系统创建不同的实例,然后进行一些数据的读写操作。
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驱动编写

1. 驱动和屏幕驱动芯片的关系

我们编写的屏幕驱动其实是根据不同的驱动芯片的芯片手册,进行数据的封装,比如芯片的初始化数据,芯片的复位,以及屏幕尺寸的初始化,完成了一些的初始化之后,就是开始屏幕数据的写入了,根据屏幕的特性不同,需要处理不同的图片格式,进行转换到屏幕能够显示的格式,比如色彩构成是RGB565,还是RGB888之类的,这样根据像素的RGB值排列的不同,最终的数据也就不同了,需要根据屏幕定制像素处理的代码。

2. 驱动主要是做哪些事情

主要就是简化一些调用逻辑,有了驱动,我们在使用屏幕的时候就不用关注具体的指令格式了,只需要调用Init()或者reset()方法就可以使用屏幕了。如果有人实现了一些设备的驱动,那我们作为使用者其实就可以拿来实现业务逻辑了。

3. 驱动的具体实现

我们以1.47寸的屏幕为例,首先先看屏幕的一些资料,2.4寸的微雪也有对应的资料,虽然屏幕不是微雪的,但是资料是通用的。

我用的2.4寸屏幕资料和微雪的2寸的一致

1.47寸的屏幕资料链接

本款LCD使用的内置控制器为ST7789V3,是一款240 x RGB x 320像素的LCD控制器,而本LCD本身的像素为172(H)RGB x 320(V),同时由于初始化控制可以初始化为横屏和竖屏两种,因此LCD的内部RAM并未完全使用。
该LCD支持12位,16位以及18位每像素的输入颜色格式,即RGB444,RGB565,RGB666三种颜色格式,本例程使用RGB565的颜色格式,这也是常用的RGB格式
LCD使用四线SPI通信接口,这样可以大大的节省GPIO口,同时通信是速度也会比较快
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LcdConfig类的话实现基本的SPI的数据写入,包含一些引脚的输出的操作,用来复位屏幕等。代码有点粗糙,大家轻喷。

using System.Device.Gpio; using System.Device.Pwm.Drivers; using System.Device.Spi;  namespace Verdure.Iot.Device;  public class LcdConfig : IDisposable {     protected GpioController _gpio;     protected SpiDevice _spi;     protected SoftwarePwmChannel _pwmBacklight;     protected int RST_PIN;     protected int DC_PIN;     protected int BL_PIN;     protected int BL_freq;      public LcdConfig(SpiDevice spi, SoftwarePwmChannel pwmBacklight, int spiFreq = 40000000, int rst = 27, int dc = 25, int bl = 18, int blFreq = 1000)     {         _gpio = new GpioController();         this._spi = spi;         this.RST_PIN = rst;         this.DC_PIN = dc;         this.BL_PIN = bl;         this.BL_freq = blFreq;          _gpio.OpenPin(RST_PIN, PinMode.Output);         _gpio.OpenPin(DC_PIN, PinMode.Output);         _gpio.OpenPin(BL_PIN, PinMode.Output);         DigitalWrite(BL_PIN, false);          if (spi != null)         {             spi.ConnectionSettings.ClockFrequency = spiFreq;             spi.ConnectionSettings.Mode = SpiMode.Mode0;         }          _pwmBacklight = pwmBacklight;     }      public void DigitalWrite(int pin, bool value)     {         _gpio.Write(pin, value ? PinValue.High : PinValue.Low);     }      public bool DigitalRead(int pin)     {         return _gpio.Read(pin) == PinValue.High;     }      public void DelayMs(int delaytime)     {         Thread.Sleep(delaytime);     }      public void SpiWriteByte(byte[] data)     {         _spi.Write(data);     }      public void BlDutyCycle(double duty)     {         _pwmBacklight.DutyCycle = duty / 100;         // Implement PWM control for backlight if needed     }      public void BlFrequency(int freq)     {         _pwmBacklight.Frequency = freq;         // Implement frequency control for backlight if needed     }      public void Dispose()     {         Console.WriteLine("spi end");         if (_spi != null)         {             _spi.Dispose();         }          Console.WriteLine("gpio cleanup...");         DigitalWrite(RST_PIN, true);         DigitalWrite(DC_PIN, false);         _gpio.ClosePin(BL_PIN);         Thread.Sleep(1);         _gpio?.Dispose();     } } 

LCD1inch47这个就是具体的屏幕的驱动了,包含屏幕的初始化指令,和设置屏幕尺寸的指令。

using SixLabors.ImageSharp; using SixLabors.ImageSharp.PixelFormats; using System.Device.Pwm.Drivers; using System.Device.Spi;  namespace Verdure.Iot.Device; public class LCD1inch47 : LcdConfig {     public const int Width = 172;     public const int Height = 320;     public LCD1inch47(SpiDevice spi, SoftwarePwmChannel pwmBacklight, int spiFreq = 40000000, int rst = 27, int dc = 25, int bl = 18, int blFreq = 1000) : base(spi, pwmBacklight, spiFreq, rst, dc, bl, blFreq)     {     }     public void Command(byte cmd)     {         DigitalWrite(DC_PIN, false);         SpiWriteByte([cmd]);     }      public void Data(byte val)     {         DigitalWrite(DC_PIN, true);         SpiWriteByte([val]);     }      public void Reset()     {         DigitalWrite(RST_PIN, true);         Thread.Sleep(10);         DigitalWrite(RST_PIN, false);         Thread.Sleep(10);         DigitalWrite(RST_PIN, true);         Thread.Sleep(10);     }      public void Init()     {         Command(0x36);         Data(0x00);          Command(0x3A);         Data(0x05);          Command(0xB2);         Data(0x0C);         Data(0x0C);         Data(0x00);         Data(0x33);         Data(0x33);          Command(0xB7);         Data(0x35);          Command(0xBB);         Data(0x35);          Command(0xC0);         Data(0x2C);          Command(0xC2);         Data(0x01);          Command(0xC3);         Data(0x13);          Command(0xC4);         Data(0x20);          Command(0xC6);         Data(0x0F);          Command(0xD0);         Data(0xA4);         Data(0xA1);          Command(0xE0);         Data(0xF0);         Data(0xF0);         Data(0x00);         Data(0x04);         Data(0x04);         Data(0x04);         Data(0x05);         Data(0x29);         Data(0x33);         Data(0x3E);         Data(0x38);         Data(0x12);         Data(0x12);         Data(0x28);         Data(0x30);          Command(0xE1);         Data(0xF0);         Data(0x07);         Data(0x0A);         Data(0x0D);         Data(0x0B);         Data(0x07);         Data(0x28);         Data(0x33);         Data(0x3E);         Data(0x36);         Data(0x14);         Data(0x14);         Data(0x29);         Data(0x32);          Command(0x21);          Command(0x11);          Command(0x29);     }      public void SetWindows(int xStart, int yStart, int xEnd, int yEnd)     {         Command(0x2A);         Data((byte)(((xStart) >> 8) & 0xff));         Data((byte)((xStart + 34) & 0xff));         Data((byte)((xEnd - 1 + 34) >> 8 & 0xff));         Data((byte)((xEnd - 1 + 34) & 0xff));          Command(0x2B);         Data((byte)((yStart) >> 8 & 0xff));         Data((byte)((yStart) & 0xff));         Data((byte)((yEnd - 1) >> 8 & 0xff));         Data((byte)((yEnd - 1) & 0xff));          Command(0x2C);     }      public void ShowImage(Image<Bgr24> image, int xStart = 0, int yStart = 0)     {         int imwidth = image.Width;         int imheight = image.Height;         var pix = new byte[imheight * imwidth * 2];         for (int y = 0; y < imheight; y++)         {             for (int x = 0; x < imwidth; x++)             {                 var color = image[x, y];                 pix[(y * imwidth + x) * 2] = (byte)((color.R & 0xF8) | (color.G >> 5));                 pix[(y * imwidth + x) * 2 + 1] = (byte)(((color.G << 3) & 0xE0) | (color.B >> 3));             }         }         SetWindows(0, 0, Width, Height);         DigitalWrite(DC_PIN, true);         for (int i = 0; i < pix.Length; i += 4096)         {             SpiWriteByte(pix.AsSpan(i, Math.Min(4096, pix.Length - i)).ToArray());         }     }      public void ShowImageBytes(byte[] pix)     {         SetWindows(0, 0, Width, Height);         DigitalWrite(DC_PIN, true);         for (int i = 0; i < pix.Length; i += 4096)         {             SpiWriteByte(pix.AsSpan(i, Math.Min(4096, pix.Length - i)).ToArray());         }     }      public void Clear()     {         var buffer = new byte[Width * Height * 2];         Array.Fill(buffer, (byte)0xff);         Thread.Sleep(20);         SetWindows(0, 0, Width, Height);         DigitalWrite(DC_PIN, true);         for (int i = 0; i < buffer.Length; i += 4096)         {             SpiWriteByte(buffer.AsSpan(i, Math.Min(4096, buffer.Length - i)).ToArray());         }     } }  

4. 图片处理的核心逻辑

我是采用开源的ImageSharp这个库进行的图片处理,这个库可以解析图片或者直接绘制图形之类的,是个比较火的库。

使用它将普通的Bgra32转成Bgr24然后通过驱动里的ShowImage方法,将图片转成RGB565的数据在屏幕初始化之后,直接传输到SPI就可以了,注意事项,SPI一次最多传输4096字节,所以要分段传输。

图片处理核心代码如下:

public void ShowImage(Image<Bgr24> image, int xStart = 0, int yStart = 0)     {         int imwidth = image.Width;         int imheight = image.Height;         var pix = new byte[imheight * imwidth * 2];         for (int y = 0; y < imheight; y++)         {             for (int x = 0; x < imwidth; x++)             {                 var color = image[x, y];                 pix[(y * imwidth + x) * 2] = (byte)((color.R & 0xF8) | (color.G >> 5));                 pix[(y * imwidth + x) * 2 + 1] = (byte)(((color.G << 3) & 0xE0) | (color.B >> 3));             }         }         SetWindows(0, 0, Width, Height);         DigitalWrite(DC_PIN, true);         for (int i = 0; i < pix.Length; i += 4096)         {             SpiWriteByte(pix.AsSpan(i, Math.Min(4096, pix.Length - i)).ToArray());         }     } 

下面是主程序的代码内容,主程序是针对两个屏幕循环操作。

using SixLabors.ImageSharp; using SixLabors.ImageSharp.PixelFormats; using SixLabors.ImageSharp.Processing; using System.Device.Pwm.Drivers; using System.Device.Spi; using Verdure.Iot.Device;  using var pwmBacklight = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 18, frequency: 1000); pwmBacklight.Start();   string input2inch4Path = "LCD_2inch4.jpg";  string input1inch47Path = "LCD_1inch47.jpg";  using SpiDevice sender2inch4Device = SpiDevice.Create(new SpiConnectionSettings(0, 0) {     ClockFrequency = 40000000,     Mode = SpiMode.Mode0 }); using SpiDevice sender1inch47Device = SpiDevice.Create(new SpiConnectionSettings(0, 1) {     ClockFrequency = 40000000,     Mode = SpiMode.Mode0 });  using var inch24 = new LCD2inch4(sender2inch4Device, pwmBacklight); inch24.Reset(); inch24.Init(); inch24.Clear(); inch24.BlDutyCycle(50);  using var inch147 = new LCD1inch47(sender1inch47Device, pwmBacklight);  //inch147.Reset(); inch147.Init(); inch147.Clear(); inch147.BlDutyCycle(50);  while (true) {     using (Image<Bgra32> image2inch4 = Image.Load<Bgra32>("LCD_2inch.jpg"))     {         image2inch4.Mutate(x => x.Rotate(90));         using Image<Bgr24> converted2inch4Image = image2inch4.CloneAs<Bgr24>();         inch24.ShowImage(converted2inch4Image);     }      Console.WriteLine("2inch4 Done");       using (Image<Bgra32> image1inch47 = Image.Load<Bgra32>(input1inch47Path))     {         using Image<Bgr24> converted1inch47Image = image1inch47.CloneAs<Bgr24>();         inch147.ShowImage(converted1inch47Image);     }      Console.WriteLine("1inch47 Done");      using (Image<Bgra32> image2inch41 = Image.Load<Bgra32>(input2inch4Path))     {         using Image<Bgr24> converted2inch4Image1 = image2inch41.CloneAs<Bgr24>();         inch24.ShowImage(converted2inch4Image1);     }      Console.WriteLine("2inch41 Done");       using (Image<Bgra32> image1inch471 = Image.Load<Bgra32>("excited.png"))     {         using Image<Bgr24> converted1inch47Image1 = image1inch471.CloneAs<Bgr24>();         inch147.ShowImage(converted1inch47Image1);     }      Console.WriteLine("1inch471 Done"); } //Console.ReadLine(); 

5. 同时控制两个屏幕的原理

首先我们需要将两个屏幕的除去CS的引脚进行并联,然后接到树莓派对应的引脚上,然后cs引脚分别接到树莓派的CE0,CE1引脚上,CEO对应BCM的8,CE1对应BCM的7。

2.4寸是CE0,1.47寸是CE1,大家根据代码检查接线。

这样我们通过操作不同的CS引脚选中对应的屏幕,速度足够快就像是操作两个屏幕一样。显示动画都没问题。

驱动源码地址

驱动验证

1. 硬件接线

微雪的文档里都有接线图,大家可以仔细对照。

注意事项 由于是两个屏幕,CS引脚分别接到上面说的引脚上面

2.4寸接线图如下:
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1.47接线图如下:
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2. 树莓派运行程序

根据上一篇文章说的发布程序的方法,将程序发布上传到树莓派执行程序。
正常情况下,就可以看到屏幕交替刷新的画面了,如果大家做到这里,就基本上算是驱动测试完成了。
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总结感悟

写这篇文章我也翻了下之前的一些概念之类的,也算是温习了一遍,感觉也跟着刷新了一些知识,用文档记录下一些东西,对于我们查找是很方便的事情,好记性不如烂笔头。

这篇文章的篇幅有点长,希望大家能够仔细的阅读,省的遗漏了一些内容导致大家操作失败,我很希望大家能够成功,并且能够做出一些有趣的东西。如果能够帮助到大家,我还是很开心的。

参考推荐文档项目如下:

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