ESP32 学习笔记（08）· SPI 驱动 OLED 液晶屏（上）：Adafruit_SSD1306 库

注：本系列为个人学习 ESP32 的记录，主要通过再记录的方式学习，参考和搬运转载极客侠 GeeksMan 的文章。

著作权归极客侠 GeeksMan 所有，基于 GPL 3.0 协议。原文链接：https://docs.geeksman.com/esp32/Arduino/01.esp32-arduino-intro.html

⭐⭐⭐SPI 驱动 OLED 液晶屏幕

1. SPI

SPI（Serial Peripheral Interface） 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议，即串行外围设备接口，是一种同步、全双工、主从式接口，但并不是所有的 SPI 都是全双工。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI 接口可以是 1 线、2 线 3 线式或 4 线式，这节课，我们用到的就是 3 线 SPI。

产生时钟信号的器件称为 主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同 I2C 接口相比，SPI 器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解 SPI 接口的时钟频率规格。

标准 4 线 SPI 芯片的管脚上只占用四根线。

MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入。
MISO：主器件数据输入，从器件数据输出。
SCK：时钟信号，由主设备控制发出。
CS（NSS）：从机设备选择信号，由主设备控制。当 CS 为低电平则选中从器件。

3 线 SPI 没有 MISO，或者 MISO 与 MOSI 共线。

SPI 接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。下图显示了主机和从机之间的 SPI 连接。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与 SPI 总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。MOSI 和 MISO 是数据线。MOSI 将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。

ESP32 集成了 4 个 SPI 外设。

其中两个在内部用于访问 ESP32 所连接的闪存。两个控制器共享相同的 SPI 总线信号，并且有一个仲裁器来确定哪个可以访问该总线。
另外两个是通用 SPI 控制器，分别称为 HSPI 和 VSPI。它们向用户开放，具有独立的总线信号，分别具有相同的名称。每条总线具有 3 条 CS 线，最多能控制 6 个 SPI 从设备。

I2C 与 SPI 区别

I2C 只需两根信号线，而标准 SPI 至少四根信号，如果有多个从设备，信号需要更多。一些 SPI 变种虽然只使用三根线—— SCK、CS 和双向的 MISO/MOSI，但 CS 线还是要和从设备一对一根。另外，如果 SPI 要实现多主设备结构，总线系统需额外的逻辑和线路。用 I2C 构建系统总线唯一的问题是有限的 7 位地址空间，但这个问题新标准已经解决 --- 使用 10 位地址。

如果应用中必须使用高速数据传输，那么 SPI 是必然的选择。因为 SPI 是全双工，IIC 的不是。SPI 没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过 10Mbps。IIC 最高的速度也就快速+模式（1Mbps）和高速模式（3.4Mbps），后面的模式还需要额外的 I/O 缓冲区，还并不是总是容易实现的。SPI 适合数据流应用，而 IIC 更适合“字节设备”的多主设备应用。

SPI 有一个非常大的缺陷，主要是没有标准的协议，SPI 比较混乱，主要是没有标准的协议，只有moto的事实标准。所以衍生出多个版本，但没有本质的差异。

2. OLED 屏幕

OLED，即有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode）。OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被称为是第三代显示技术。

LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示 OLED 效果要来得好一些。以目前的技术，OLED 的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。

我们今天用到的屏幕是 0.96 寸的 SSD1306 芯片驱动的 OLED 屏幕。他的分辨率是 128*64，意思就是横向有 128 个像素点，纵向有 64 个

OLED 显示屏模块接口定义：

GND：电源地。
VCC：电源正（3.3～5V）。
D0：OLED 的 D0 脚，在 SPI 通信中为时钟管脚。
D1：OLED 的 D1 脚，在 SPI 通信中为数据管脚。
RES：OLED 的 RES 脚，用来复位（低电平复位）。
DC：数据和命令控制管脚。
CS：片选管脚。

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称	数量
0.96 寸 OLED 屏幕	1
按键	2
杜邦线(跳线)	若干
面包板	1

软件程序设计

如果想要使用 Arduino 控制 SSD1306 驱动的 OLED 屏幕，有以下两种第三方库可以使用：

Adafruit_SSD1306 库：专门针对 SSD1306 驱动 OLED 屏幕的显示图形库；
U8G2 库：目前 Arduino 平台上使用最广泛的 OLED 库。

1. Adafruit_SSD1306 控制 OLED 屏幕

想要使用 Adafruit_SSD1306，还需要安装 Adafruit_GFX 第三方库。Arduino 的 Adafruit_GFX 库为我们所有的 LCD 和 OLED 显示器提供了通用语法和图形功能集，也就是说这是一个通用图形库，并不针对特定的显示器型号。

Adafruit_GFX 定义了一系列的绘画方法（线，矩形，圆等等），属于基础类，并且最重要的一点，drawPixel 方法由子类来实现；
Adafruit_SSD1306 定义了一系列跟 SSD1306 有关的方法，并且重写了 drawPixel 方法，属于扩展类。

首先，我们就需要先下载这两个第三方库，PlatformIO 已经为我们提供了方便的下载途径，我们可以直接在 PlatformIO 的 PIO HOME 页面中选择 Libraries 中分别搜索 Adafruit GFX Library 与 Adafruit_SSD1306，然后添加到项目中即可。

下载完以上两个第三方库之后，打开 platformio.ini 文件，可以看到 lib_deps 中出现了 SSD1306 与 Adafruit GFX Library 两个依赖，

在学习 Adafruit_SSD1306 之前，你需要明白无论什么 OLED 屏幕，最终都可以抽象为像素点阵，想显示什么内容就把具体位置的像素点亮起来。比如 SSD1306-12864 就是一个 128X64 像素点阵，这个点阵拥有自己的一套坐标系，在坐标系中，左上角是原点，向右是X轴，向下是Y轴。

接下来，我们就可以深入学习该库了。

SSD1306 包括 IIC 和 SPI 总线版本，所以针对不同版本又有对应的构造器方法，因为我们的 OLED 是 SPI 版本的，因此，我们只讲 SPI 总线的构造方法。以下代码是

Adafruit_SSD1306(uint8_t w, uint8_t h, int8_t mosi_pin, int8_t sclk_pin,int8_t dc_pin, int8_t rst_pin, int8_t cs_pin);

/*! 
    @brief  Constructor for SPI SSD1306 displays, using software (bitbang)
            SPI.(软件SPI总线)
    @param  w
            Display width in pixels
    @param  h
            Display height in pixels
    @param  mosi_pin
            MOSI (master out, slave in) pin (using Arduino pin numbering).
            This transfers serial data from microcontroller to display.
    @param  sclk_pin
            SCLK (serial clock) pin (using Arduino pin numbering).
            This clocks each bit from MOSI.
    @param  dc_pin
            Data/command pin (using Arduino pin numbering), selects whether
            display is receiving commands (low) or data (high).
    @param  rst_pin
            Reset pin (using Arduino pin numbering), or -1 if not used
            (some displays might be wired to share the microcontroller's
            reset pin).
    @param  cs_pin
            Chip-select pin (using Arduino pin numbering) for sharing the
            bus with other devices. Active low.
    @return Adafruit_SSD1306 object.
    @note   Call the object's begin() function before use -- buffer
            allocation is performed there!
*/
Adafruit_SSD1306(uint8_t w, uint8_t h, int8_t mosi_pin, int8_t sclk_pin,
    int8_t dc_pin, int8_t rst_pin, int8_t cs_pin);
    
/*!
    @brief  Constructor for SPI SSD1306 displays, using native hardware SPI.（硬件SPI总线）
    @param  w
            Display width in pixels
    @param  h
            Display height in pixels
    @param  spi
            Pointer to an existing SPIClass instance (e.g. &SPI, the
            microcontroller's primary SPI bus).
    @param  dc_pin
            Data/command pin (using Arduino pin numbering), selects whether
            display is receiving commands (low) or data (high).
    @param  rst_pin
            Reset pin (using Arduino pin numbering), or -1 if not used
            (some displays might be wired to share the microcontroller's
            reset pin).
    @param  cs_pin
            Chip-select pin (using Arduino pin numbering) for sharing the
            bus with other devices. Active low.
    @param  bitrate
            SPI clock rate for transfers to this display. Default if
            unspecified is 8000000UL (8 MHz).
    @return Adafruit_SSD1306 object.
    @note   Call the object's begin() function before use -- buffer
            allocation is performed there!
*/    
Adafruit_SSD1306(uint8_t w, uint8_t h, SPIClass *spi,
    int8_t dc_pin, int8_t rst_pin, int8_t cs_pin, uint32_t bitrate=8000000UL);

软件 SPI 总线用法，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
// 软件SPI总线
// Declaration for SSD1306 display connected using software SPI (default case):
#define OLED_MOSI   13
#define OLED_CLK   18
#define OLED_DC    2
#define OLED_CS    4
#define OLED_RESET 15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
  OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

使用硬件 SPI 总线，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
#define OLED_DC     2
#define OLED_CS     4
#define OLED_RESET  15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
  &SPI, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

接下来的方法（函数）无论是 I2C 还是 SPI 总线构建的，用法都是一致的：

clearDisplay：清除显示，该方法仅清除 Arduino 缓存，不会立即显示在屏幕上，可以通过调用 display 来立即清除；
display：显示内容，这个方法才是真正把绘制内容画在 OLED 屏幕上（非常重要）；
drawCircle：绘制空心圆；
fillCircle：绘制实心圆；
drawTriangle：绘制空心三角形；
fillTriangle：绘制实心三角形；
drawRoundRect：绘制空心圆角方形；
fillRoundRect：绘制实心圆角方形；
drawBitmap：绘制 Bitmap 图形；
drawXBitmap：绘制 XBitmap 图形；
drawChar：绘制单个字符；
getTextBounds：计算字符串在当前字体大小下的像素大小，返回左上角坐标以及宽度高度像素值；
setTextSize：设置字体大小；
setFont：设置字体；
setCursor：设置光标位置；
setTextColor：设置字体颜色；
setTextWrap：设置是否自动换行；
drawPixel：绘制像素点；
drawFastHLine：绘制水平线；
drawFastVLine：绘制垂直线；
startscrollright：滚动到右边；
startscrollleft：滚动到左边；
startscrolldiagright：沿着对角线滚动到右边；
startscrolldiagleft：沿着对角线滚动到左边；
stopscroll：停止滚动：

使用 Adafruit_SSD1306 库分为三个步骤：

初始化 OLED，调用构造函数，调用 begin 方法；
初始化成功后，调用绘制类函数，当然可以设置颜色、字体等
绘制完毕，调用显示类函数 display。

了解完基本原理之后，我们就可以写一个简单的程序了，比如我们可以在屏幕上显示一些图形和字符，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED 显示屏宽度
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED 显示屏高度

// 软件SPI总线
#define OLED_MOSI 13
#define OLED_CLK 18
#define OLED_DC 2
#define OLED_CS 4
#define OLED_RESET 15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
                      OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

void setup()
{
  oled.begin();//初始化方法
  oled.clearDisplay();                          // 清除显示
  oled.drawFastHLine(32, 5, 48, SSD1306_WHITE); // 绘制水平线
  oled.drawLine(32, 5, 48, 30, SSD1306_WHITE);  // 绘制线
  oled.drawRect(5, 5, 10, 25, SSD1306_WHITE);   // 绘制矩形
  oled.fillRect(75, 5, 10, 30, SSD1306_WHITE);  // 绘制实心矩形
  oled.setCursor(5, 50);                        // 设置光标位置
  oled.setTextSize(2);                          // 设置字体大小
  oled.setTextColor(WHITE);                     // 设置文本颜色
  oled.println("Hello, world!");                // 显示文字
  oled.display();                               // 显示内容
}

void loop()
{
}

2. 在 OLED 上显示进度条

我们也可以在 OLED 屏幕中实现一个进度条加载的动画效果，代码如下：

#include <SPI.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED 显示屏宽度
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED 显示屏高度

// 软件SPI总线
#define OLED_MOSI 13
#define OLED_CLK 18
#define OLED_DC 2
#define OLED_CS 4
#define OLED_RESET 15
Adafruit_SSD1306 oled(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
                      OLED_MOSI, OLED_CLK, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

// 初始化进度条变量
int progress = 0;

void setup()
{
  oled.begin();
  oled.setTextSize(2);              // 设置字体大小
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE); // 设置文本颜色
  oled.display();                   // 显示内容
}

void loop()
{
  // 清空屏幕
  oled.clearDisplay();

  // 设置光标位置，位置x轴20，y轴40
  oled.setCursor(25, 40);
  // 显示文字
  oled.println("Process");

  // 显示进度条边框，方框位置x轴0，y轴10，宽度128，高度20，弧度5，颜色白色
  oled.drawRoundRect(0, 10, 128, 20, 5, SSD1306_WHITE);
  // 显示进度，填充内容位置x轴5，y轴15，宽度progress的大小，高度10，弧度2，颜色白色
  oled.fillRoundRect(5, 15, progress, 10, 2, SSD1306_WHITE);

  // 进度递增，progress小于118（128减去左右宽度5的边距）时，progress递增，否则清零
  if (progress < 118)
  {
    progress++;
  }
  else
  {
    progress = 0;
  }

  // 刷新屏幕， 显示内容
  oled.display();

  delay(50); // 延迟一段时间后更新显示
}

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ESP32 学习笔记（08）· SPI 驱动 OLED 液晶屏（上）：Adafruit_SSD1306 库

⭐⭐⭐SPI 驱动 OLED 液晶屏幕

1. SPI

I2C 与 SPI 区别

2. OLED 屏幕

硬件电路设计

软件程序设计

1. Adafruit_SSD1306 控制 OLED 屏幕

2. 在 OLED 上显示进度条

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