摘 要： 基于Keil for ARM集成開發環境，設計了一種以單片機STM32F103C8T6為核心的LCD12864液晶顯示系統，可以在屏幕任意位置實現字符顯示和圖形顯示，同時實現了貪吃蛇游戲的功能。該系統操作便捷，界面友好，具有功耗低、速度快、性價比高等優點。
關鍵詞： STM32F103C8T6；LCD12864；貪吃蛇游戲
0 引言
隨著社會的不斷發展，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]。與傳統的CRT相比，基于單片機的LCD顯示系統具有硬件結構簡單、控制方便、成本低等優點，在現代嵌入式系統中已得到廣泛的運用。本文設計了一種基于單片機STM32F103C8T6和LCD12864的液晶顯示系統，可以實現字符、圖形的顯示，并在此基礎上設計了一個貪吃蛇游戲實例。
1 系統硬件設計
LCD顯示系統主要由單片機、LCD顯示模塊、電源模塊、4×4矩陣鍵盤、通信接口電路組成。系統方框圖如圖1所示。
系統電源部分可以使用5 V電源端口供電，再通過3.3 V穩壓芯片ASM1117-3.3得到單片機與LCD顯示模塊所需電源。單片機采用ST公司的芯片STM32F103C8T6，4×4矩陣鍵盤作為系統的輸入設備，采用LCD12864液晶顯示模塊作為系統的顯示部分。單片機系統通過處理鍵盤輸入數據后，根據不同的情況對顯示屏發出不同的操作指令。通信接口電路主要是由芯片PL2303構成，它的功能主要是將電腦的USB接口轉換為串口，同時還將PC的邏輯電平轉換為與單片機系統相同的CMOS電平，方便程序的燒寫以及與上位機的通信。
1.1 Keil MDK和單片機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環境，支持程序的編輯、編譯、鏈接以及在線調試等功能，可以自動配置啟動代碼，簡單易學，性能優越，能滿足大多數嵌入式應用[2]。
STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3內核的單片機，2.0～3.6 Ｖ的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達72 MHz，具有單周期的乘法指令和硬件除法，以及優先級可編程的中斷系統。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外設，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、性價比高等優點。
1.2 液晶LCD12864顯示模塊
LCD12864液晶屏的數據接口是串行的，工作電壓為2.8~5.5 V，像素為128×64，顯示顏色為黑白色，背光顏色為藍色，不帶字庫。模塊內部采用的控制器為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數量少。LCD12864引腳說明如表1所示。
1.3 LCD12864與單片機STM32F103C8T6的硬件連接
單片機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單片機的GPIO口相連，第8引腳是LCD的背光電源端口，通過單片機的一個I/O口控制三極管的導通來控制背光電源的通斷，從而節省功耗[3]。
2 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括LCD初始化、寫數據、寫命令，以及畫點、字符顯示等程序設計。液晶顯示模塊正常工作前，需要對其進行初始化，主要包括復位液晶、確定顯示對比度、偏壓比等參數，然后才能實現字符、圖形以及其他的顯示功能。在向液晶顯示模塊寫入數據或者命令時，一定要注意寫入的時序，只有嚴格地按照時序編寫驅動程序才能正常工作。設計程序時，為了方便移植，可以將相關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]。寫數據命令的功能函數如下：
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數據線輸出為1
else
LCD_SI_0（）；//SI數據線輸出為0
LCD_SCLK_1（）；//寫入數據
Dat<<=1；
LCD_SCLK_0（）；//置低SCLK時鐘線
} LCD_CS_1（）；//關閉片選
}
寫數據功能函數void LCD12864_WriteData（uint8 Dat）實現方法與寫命令功能函數相同，只是打開片選后，選擇的是寫數據LCD_A0_1（）。
在設計LCD液晶驅動程序時，最基本的功能就是在屏幕的任意位置顯示一個點，然后在此基礎上實現更復雜的功能。但是每次寫入的數據都包含了8個點的信息，而且該LCD顯示模塊沒有讀控制端口，不能通過讀數據的命令了解其他7個點的狀態，這樣就不能達到最終的目的。為了解決這個問題，可以在單片機的內存區開辟一個數據空間，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
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，高低字節兩次寫入
LCD12864_WriteCommand（0x00+（x&0x0F））；
LCD12864_WriteData（LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]）；
//寫入數據
}
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的程序存儲空間中，然后在任意坐標顯示一個點的基礎上，實現字符的顯示。8×16字符顯示的驅動程序如下：
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 實例設計
以單片機STM32F103C8T6作為控制核心，在LCD12864驅動程序的基礎上，實現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驅動模塊和貪吃蛇游戲數據處理模塊。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構體變量來描述，然后根據游戲功能將整個大模塊合理地劃分為各個子模塊，并編寫相應的功能函數，供主模塊函數調用。在設計程序時，定義蛇的最長長度為15，蛇運動區域的長為20個單位，寬為15個單位，即橫坐標的坐標范圍為1~20，縱坐標的坐標范圍為1~15。貪吃蛇游戲中定義了食物結構體和蛇結構體變量。食物結構體定義為：
struct{uint8 X；uint8 Y；}Food；
蛇體的最大長度宏定義為：
#define SNAKE_LONG_MAX 15
蛇結構體變量中定義了蛇體長度、蛇的等級和蛇的分數，具體定義為：
struct{
uint8 X[SNAKE_LONG_MAX_]；
uint8 Y[SNAKE_LONG_MAX]；
uint8 Long；
uint8 Level；
uint16 Score；}Snake；
顯示無符號整形數據功能函數定義為：
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；//得分數增加
LCD12864_PutUintNumber（96，63-48，Snake.Score，4）；
//屏幕上更新分數
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）；//根據蛇體等級延時
在貪吃蛇游戲的程序設計中，放置食物的程序會涉及如何獲取隨機數的問題，為了增加游戲的隨機性，本次設計不采用偽隨機數產生的方法，而是利用單片機的AD采樣引腳在懸空的情況下采樣，獲得的AD值作為隨機種子，然后通過一系列的運算來得到隨機數，經過實踐得知，此種方式得到的隨機數更真實，效果很好。食物放置程序如下：
void Put_Food（void）{…..
AD_Temp=ADC_ConvertedValue；//獲取隨機種子
Food.X=（AD_Temp%20）+1；
//隨機獲取食物橫坐標（1~20）
Food.Y=（AD_Temp%15）+1；
//隨機獲取食物縱坐標（1~15）
……
DiaplaySnakePoint（Food.X，Food.Y，1）；//顯示食物
}
4 結論
STM32F103C8T6是一款高性能的單片機，LCD12864硬件接口簡單，所占用單片機的I/O口資源非常少，單片機有足夠的硬件資源供其他外設使用，顯示系統可以作為其他嵌入式系統的一部分，運用于不同的顯示場合；系統的程序設計采用的是C語言，其移植性非常好，模塊化的設計思想可以在系統中靈活地擴展其他功能，滿足不同的顯示要求。
參考文獻
[1] 劉金星，李洪文.基于高速單片機的液晶顯示模塊控制[J].液晶與顯示，2011，26（1）：88-91.
[2] 韓敬海，王蕊.Cortext-M3開發技術與實現[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013.
[3] 陳楊楊，陳梅.基于PIC18F458單片機的LCD顯示[J].儀表技術，2005（4）：52-53.
[4] 武俊鵬，張國印，姚愛紅，等.基于ARM的嵌入式系統設計實驗與實踐教程[M].北京：清華大學出版社，2011.
[5] 石紅曉，吳光敏.基于Nios II處理器的TFT-LCD圖形顯示設計[J].微型機與應用，2010，29（18）：37-39.