讓傳感器數(shù)據(jù)更直觀之LCD曲線顯示

前陣子公司有一個(gè)基于毒品檢測的項(xiàng)目需要做一個(gè)曲線顯示的功能，由于這塊是我的技能短板，因?yàn)槲抑案丬浖膽?yīng)用，邏輯，框架，架構(gòu)設(shè)計(jì)這塊比較多，而我?guī)煹茉诘讓臃矫娣浅＞?，所以把這一塊核心的功能交給了我?guī)煹?，讓他幫忙來?shí)現(xiàn)基本的庫，然后我基于他的庫完成產(chǎn)品所需要的功能。

又恰好在項(xiàng)目之前，RT-Thread發(fā)起了一個(gè)基于RT-Thread Nano的Mini示波器DIY的活動(dòng)，作為RT-Thread社區(qū)工作小組一員的我，有幸能看到這個(gè)項(xiàng)目從頭到尾的制作過程，也從中學(xué)習(xí)了LCD曲線數(shù)據(jù)處理和顯示的一些思想。

活動(dòng)鏈接如下：

【DIY活動(dòng)】一起來做一個(gè)基于RT-Thread Nano的Mini示波器吧！

完成曲線顯示大致需要以下三個(gè)步驟：

• 1、數(shù)據(jù)采集
• 2、數(shù)據(jù)處理
• 3、數(shù)據(jù)顯示

廢話不多說，咱們先看下顯示效果：

嚴(yán)格意義上來說，小熊派這種SPI屏其實(shí)不太適合用來刷曲線，首先分辨率太低了，還有就是SPI的速率也不高，如果曲線顯示條件苛刻一點(diǎn)，很容易導(dǎo)致LCD顯示閃屏現(xiàn)象，體驗(yàn)感非常不好，但是針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)顯示我們還是有能力實(shí)現(xiàn)的。

于是，我們需要對(duì)屏驅(qū)動(dòng)做一些最基本的優(yōu)化：

1、優(yōu)化LCD驅(qū)動(dòng)

1、提升刷屏速度

由于要刷曲線，所以只能想辦法盡量提升屏的刷新速度，于是在LCD手冊(cè)里有這么一個(gè)寄存器，可以提升屏的刷新速度：

在LCD驅(qū)動(dòng)初始化代碼里，這個(gè)寄存器默認(rèn)配置的是60Hz，也就是0x0F這個(gè)值

/*?Frame?Rate?Control?in?Normal?Mode?*/
LCD_Write_Cmd(0xC6);
//?LCD_Write_Data(0x0F);?//60HZ
LCD_Write_Data(0x01);??//111Hz?提升屏的刷新速度

本來設(shè)置為0x00為119Hz，但是設(shè)置完LCD就黑屏了，改為0x01就不會(huì)，目前沒找到具體原因，可能這是屏固件的BUG，暫時(shí)將就著用吧；或者有朋友知道的，感謝在留言區(qū)分享給我。

2、改用寄存器發(fā)送

/**
?*?@brief?LCD底層SPI發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)
?*
?*?@param???data?數(shù)據(jù)的起始地址
?*?@param???size?發(fā)送數(shù)據(jù)大小
?*
?*?@return??void
?*/

static?void?LCD_SPI_Send(uint8_t?*data,?uint16_t?size)
{
????for(int?i?=?0?;?i?????{
????????*((uint8_t*)&hspi2.Instance->DR)?=?data[i];

????????while(__HAL_SPI_GET_FLAG(&hspi2,?SPI_FLAG_TXE)?!=?1)?{}
????}
}

HAL庫的HAL_SPI_Transmit函數(shù)發(fā)送會(huì)慢一些，改用寄存器發(fā)送會(huì)更快。

2、曲線顯示邏輯

要在LCD上顯示曲線，大家可能就會(huì)有這樣的疑問：

我的數(shù)據(jù)可能上千，幾萬這樣，如何轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)屏分辨率的顯示？到底從哪里開始顯示？怎么顯示？

有一種比較好的思路，就是定義一個(gè)固定長度的數(shù)組，每次往數(shù)組尾部不斷的更新數(shù)據(jù)，然后該數(shù)據(jù)會(huì)不斷的往前推，這其實(shí)就是我們說的fifo(環(huán)形緩沖)隊(duì)列，然后定義一個(gè)新的備份緩沖區(qū)，在這個(gè)備份緩沖區(qū)里找到數(shù)據(jù)的最大值以及最小值，求出針對(duì)LCD分辨率的縮放系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將備份緩沖區(qū)用于LCD顯示，這就是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行的縮放，也叫做局部縮放。以下是這個(gè)例程的曲線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

#define?DATA_SIZE???240

/*曲線顯示區(qū)域，即相對(duì)于LCD的寬度，X軸*/
#define?PLOT_DISPLAY_AREA_X??51
/*曲線顯示區(qū)域，即相對(duì)于LCD的高度，Y軸*/
#define?PLOT_DISPLAY_AREA_Y??210

#define?LCD_X?240
#define?LCD_Y?240

/*曲線處理*/
typedef?struct
{
??/*實(shí)時(shí)曲線數(shù)據(jù)*/
????uint16_t?rel_data_data[DATA_SIZE];
??/*舊的曲線數(shù)據(jù)*/
????uint16_t?old_plot_data[DATA_SIZE];
??/*新的曲線數(shù)據(jù)*/
????uint16_t?new_plot_data[DATA_SIZE];
}?plot_data_handler?;
extern?plot_data_handler?plot_handler?;

由于要做到一次性更新避免閃屏，這里定義了三個(gè)緩沖區(qū)，rel_data_data用于更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，old_plot_data為舊的已經(jīng)處理的顯示數(shù)據(jù)，new_plot_data為剛剛處理的顯示數(shù)據(jù)，相當(dāng)于雙緩沖效果。

3、曲線顯示實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采樣部分

由于剛開始顯示，曲線的數(shù)據(jù)緩存是空的，所以我們要做一下初始化，保證曲線能夠直接顯示出來：

smoke_value?=?mq2_sensor_interface.get_smoke_value(&mq2_sensor_interface);
for(int?i?=?0?;?i????plot_handler.rel_data_data[i]?=?smoke_value?;
memcpy(plot_handler.new_plot_data,?plot_handler.rel_data_data,?sizeof(plot_handler.new_plot_data));
memcpy(plot_handler.old_plot_data,?plot_handler.new_plot_data,?sizeof(plot_handler.new_plot_data));

接下來就是顯示邏輯上提到的，我們需要有一個(gè)環(huán)形緩沖，不斷的追加數(shù)據(jù)：

smoke_value?=?mq2_sensor_interface.get_smoke_value(&mq2_sensor_interface)?;
/*更新數(shù)據(jù)到隊(duì)列*/
for(i?=?0?;?i?<=?DATA_SIZE?-?2?;?i++)
???plot_handler.rel_data_data[i]?=?plot_handler.rel_data_data[i?+?1];
plot_handler.rel_data_data[DATA_SIZE?-?1]?=?smoke_value?;

這樣我們就完成了最基本的數(shù)據(jù)采樣部分。

3.2 數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理我定義了以下函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

void?LCD_Plot_Remap(uint16_t?*cur_data,?uint16_t?*backup_data,?uint16_t?cur_data_size)

cur_data表示當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包

backup_data表示備份數(shù)據(jù)包

cur_data_size表示數(shù)據(jù)包的長度

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包就是沒有經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)包，備份數(shù)據(jù)包就是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)包。

在這個(gè)函數(shù)中主要完成了找實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包的最大、最小值、計(jì)算縮放系數(shù)：

最大值查找：

value?=?0?;
for(i?=?0;?i???if(cur_data[i]?>?value)
????value?=?cur_data[i];
max?=?value?;

最小值查找：

value?=?cur_data[0];
for(i?=?0;?i??if(cur_data[i]????value?=?cur_data[i];
min?=?value?;

縮放系數(shù)的計(jì)算：

max_min_diff?=?(float)(max?-?min);
scale?=?(float)(max_min_diff?/?height);

將處理的結(jié)果拷貝到備份數(shù)據(jù)包中。

完整實(shí)現(xiàn)如下：

/*
cur_data:當(dāng)前要顯示的曲線數(shù)據(jù)包
cur_data_size:當(dāng)前要顯示的曲線數(shù)據(jù)包的大小
*/
void?LCD_Plot_Remap(uint16_t?*cur_data,?uint16_t?*backup_data,?uint16_t?cur_data_size)
{
??uint32_t?i?=?0?;
??float?temp?=?0;
??/*數(shù)據(jù)包最大值*/
????uint16_t?max?=?0;
??/*數(shù)據(jù)包最小值*/
????uint16_t?min?=?0;
??float?scale?=?0.0;
??uint16_t?value?=?0;
??float?max_min_diff?=?0.0;
??/*曲線顯示的高度*/
??float?height?=?PLOT_DISPLAY_AREA_Y;
??char?display_rel_buf[20]?=?{0};
????char?display_max_buf[20]?=?{0};
??char?display_min_buf[20]?=?{0};
??char?display_sub_buf[20]?=?{0};
??/*顯示X坐標(biāo)軸*/
??for(uint8_t?i?=?PLOT_DISPLAY_AREA_X-1?;?i?????????LCD_Draw_ColorPoint(i,?239,?RED);
??/*顯示Y坐標(biāo)軸*/
????for(uint8_t?i?=?LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y?;?i?????????LCD_Draw_ColorPoint(PLOT_DISPLAY_AREA_X-1,?i,?RED);

??value?=?0?;
??for(i?=?0;?i?????????if(cur_data[i]?>?value)
????????????value?=?cur_data[i];
??max?=?value?;
??value?=?cur_data[0];
??for(i?=?0;?i?????????if(cur_data[i]?????????????value?=?cur_data[i];
??min?=?value?;
??
??sprintf(display_rel_buf,"%04d",cur_data[DATA_SIZE-1]);
??sprintf(display_max_buf,"%04d",max);
??sprintf(display_min_buf,"%04d",min);
??sprintf(display_sub_buf,"%04d",max-min);
??
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+10,LCD_X,16,16,"rel:");
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+20+10,LCD_X,?16,?16,?display_rel_buf);
??
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+50+10,LCD_X,16,16,"max:");
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+70+10,LCD_X,?16,?16,?display_max_buf);
??
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+100+10,LCD_X,16,16,"min:");
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+120+10,LCD_X,?16,?16,?display_min_buf);
??
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+150+10,LCD_X,16,16,"sub:");
??LCD_ShowString(5,LCD_Y-PLOT_DISPLAY_AREA_Y+170+10,LCD_X,?16,?16,?display_sub_buf);
??
????if(min?>?max)?
???return?;

????max_min_diff?=?(float)(max?-?min);
????scale?=?(float)(max_min_diff?/?height);

????if(cur_data_size????return;

????for(i?=?0;?i?????{
????????temp?=?cur_data[i]?-?min;
????????backup_data[i]?=??DATA_SIZE?-?(uint16_t)(temp?/?scale)?-?1;
????}
}

3.3 數(shù)據(jù)顯示部分

這部分應(yīng)該是最激動(dòng)人心的，但是它的實(shí)現(xiàn)卻是最簡單的，就是將數(shù)據(jù)處理部分得到的備份數(shù)據(jù)包里的每一個(gè)數(shù)據(jù)依次用線段連接起來即可，為了讓驅(qū)動(dòng)更快一些，以下的處理采用寄存器發(fā)送：

/*顯示曲線*/
void?LCD_Plot_Display(uint16_t?*pData,?uint32_t?size,?uint16_t?color)
{
????uint32_t?i,?j;
????uint8_t?color_L?=?(uint8_t)?color;
????uint8_t?color_H?=?(uint8_t)?(color?>>?8);

????if(size?return?;

????for?(i?=?PLOT_DISPLAY_AREA_X;?i?????{
????????if?(pData[i?+?1]?>=?pData[i])
????????{
????????????LCD_Address_Set(i,?pData[i],?i,?pData[i?+?1]);
????????????LCD_DC(1);

????????????for?(j?=?pData[i];?j?<=?pData[i?+?1];?j++)
????????????{
????????????????*((uint8_t*)?&hspi2.Instance->DR)?=?color_H;

????????????????while?(__HAL_SPI_GET_FLAG(&hspi2,?SPI_FLAG_TXE)?!=?1);

????????????????*((uint8_t*)?&hspi2.Instance->DR)?=?color_L;

????????????????while?(__HAL_SPI_GET_FLAG(&hspi2,?SPI_FLAG_TXE)?!=?1);
????????????}
????????}
????????else
????????{
????????????LCD_Address_Set(i,?pData[i?+?1],?i,?pData[i]);
????????????LCD_DC(1);

????????????for?(j?=?pData[i?+?1];?j?<=?pData[i];?j++)
????????????{
????????????????*((uint8_t*)?&hspi2.Instance->DR)?=?color_H;

????????????????while?(__HAL_SPI_GET_FLAG(&hspi2,?SPI_FLAG_TXE)?!=?1);

????????????????*((uint8_t*)?&hspi2.Instance->DR)?=?color_L;

????????????????while?(__HAL_SPI_GET_FLAG(&hspi2,?SPI_FLAG_TXE)?!=?1);
????????????}
????????}
????}
}

4、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示

實(shí)現(xiàn)邏輯如下：

while?(1)
{
??smoke_value?=?mq2_sensor_interface.get_smoke_value(&mq2_sensor_interface)?;
??/*更新數(shù)據(jù)到隊(duì)列*/
??for(i?=?0?;?i?<=?DATA_SIZE?-?2?;?i++)
????plot_handler.rel_data_data[i]?=?plot_handler.rel_data_data[i?+?1];
??plot_handler.rel_data_data[DATA_SIZE?-?1]?=?smoke_value?;
? /*先將背景刷黑*/
??LCD_Plot_Display(plot_handler.old_plot_data,?DATA_SIZE,?BLACK);
? /*傳感器數(shù)據(jù)處理*/
? LCD_Plot_Remap(plot_handler.rel_data_data,plot_handler.new_plot_data,?DATA_SIZE);
? /*傳感器數(shù)據(jù)曲線顯示*/
? LCD_Plot_Display(plot_handler.new_plot_data,?DATA_SIZE,?GREEN);
? /*將處理完成的備份數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到舊的備份數(shù)據(jù)區(qū)*/
??memcpy(plot_handler.old_plot_data,?plot_handler.new_plot_data,?sizeof(plot_handler.new_plot_data));
??HAL_Delay(10);
}

本節(jié)代碼已同步到碼云的代碼倉庫中,獲取方法如下：

1、新建一個(gè)文件夾

2、使用git clone遠(yuǎn)程獲取該項(xiàng)目

項(xiàng)目開源倉庫：

https://gitee.com/morixinguan/bear-pi

我還將之前做的一些項(xiàng)目以及練習(xí)例程在近期內(nèi)全部上傳完畢，與大家一起分享交流：

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