摘 要： 基于Keil for ARM集成开发环境，设计了一种以单片机STM32F103C8T6为核心的LCD12864液晶显示系统，可以在屏幕任意位置实现字符显示和图形显示，同时实现了贪吃蛇游戏的功能。该系统操作便捷，界面友好，具有功耗低、速度快、性价比高等优点。
关键词： STM32F103C8T6；LCD12864；贪吃蛇游戏
0 引言
随着社会的不断发展，人们对终端显示器的要求越来越高，体积小、重量轻、功耗低、清晰度高的LCD显示器无疑成为大家心中理想的选择[1]。与传统的CRT相比，基于单片机的LCD显示系统具有硬件结构简单、控制方便、成本低等优点，在现代嵌入式系统中已得到广泛的运用。本文设计了一种基于单片机STM32F103C8T6和LCD12864的液晶显示系统，可以实现字符、图形的显示，并在此基础上设计了一个贪吃蛇游戏实例。
1 系统硬件设计
LCD显示系统主要由单片机、LCD显示模块、电源模块、4×4矩阵键盘、通信接口电路组成。系统方框图如图1所示。
系统电源部分可以使用5 V电源端口供电，再通过3.3 V稳压芯片ASM1117-3.3得到单片机与LCD显示模块所需电源。单片机采用ST公司的芯片STM32F103C8T6，4×4矩阵键盘作为系统的输入设备，采用LCD12864液晶显示模块作为系统的显示部分。单片机系统通过处理键盘输入数据后，根据不同的情况对显示屏发出不同的操作指令。通信接口电路主要是由芯片PL2303构成，它的功能主要是将电脑的USB接口转换为串口，同时还将PC的逻辑电平转换为与单片机系统相同的CMOS电平，方便程序的烧写以及与上位机的通信。
1.1 Keil MDK和单片机STM32F103C8T6简介
Keil MDK是德国Keil公司为基于Cortex-M、ARM7、ARM9等系列处理器提供的一款集成开发环境，支持程序的编辑、编译、链接以及在线调试等功能，可以自动配置启动代码，简单易学，性能优越，能满足大多数嵌入式应用[2]。
STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3内核的单片机，2.0～3.6 Ｖ的宽电压供电范围，CPU工作频率最大可达72 MHz，具有单周期的乘法指令和硬件除法，以及优先级可编程的中断系统。同时它还具有64 KB的Flash存储器与20 KB的SRAM存储器，另外还集成了非常丰富的片内外设，如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC接口等，具有成本低、速度快、性价比高等优点。
1.2 液晶LCD12864显示模块
LCD12864液晶屏的数据接口是串行的，工作电压为2.8~5.5 V，像素为128×64，显示颜色为黑白色，背光颜色为蓝色，不带字库。模块内部采用的控制器为ST7565P，功耗非常低，在省电模式下的工作电流最大仅为5 A，显示模块仅有8个引脚接口，占用主控制器的I/O数量少。LCD12864引脚说明如表1所示。
1.3 LCD12864与单片机STM32F103C8T6的硬件连接
单片机STM32F103C8T6与LCD显示模块的硬件连接非常简单，如图2所示。LCD12864引脚编号为1~5的控制端口可以直接与STM32F103C8T6单片机的GPIO口相连，第8引脚是LCD的背光电源端口，通过单片机的一个I/O口控制三极管的导通来控制背光电源的通断，从而节省功耗[3]。
2 系统软件设计
系统软件设计主要包括LCD初始化、写数据、写命令，以及画点、字符显示等程序设计。液晶显示模块正常工作前，需要对其进行初始化，主要包括复位液晶、确定显示对比度、偏压比等参数，然后才能实现字符、图形以及其他的显示功能。在向液晶显示模块写入数据或者命令时，一定要注意写入的时序，只有严格地按照时序编写驱动程序才能正常工作。设计程序时，为了方便移植，可以将相关引脚的操作用宏封装起来，如将片选引脚拉低的操作可以用宏LCD_CS_0（）定义[4-5]。写数据命令的功能函数如下：
void LCD12864_WriteCommand（uint8 Cmd）
{……
LCD_CS_0（）；//打开片选
LCD_A0_0（）；//选择写命令
LCD_SCLK_0（）；//时钟线置低
for（i=0；i<8；i++）{
if（Cmd &0x80）//如果输出为1
LCD_SI_1（）；//SI数据线输出为1
else
LCD_SI_0（）；//SI数据线输出为0
LCD_SCLK_1（）；//写入数据
Dat<<=1；
LCD_SCLK_0（）；//置低SCLK时钟线
} LCD_CS_1（）；//关闭片选
}
写数据功能函数void LCD12864_WriteData（uint8 Dat）实现方法与写命令功能函数相同，只是打开片选后，选择的是写数据LCD_A0_1（）。
在设计LCD液晶驱动程序时，最基本的功能就是在屏幕的任意位置显示一个点，然后在此基础上实现更复杂的功能。但是每次写入的数据都包含了8个点的信息，而且该LCD显示模块没有读控制端口，不能通过读数据的命令了解其他7个点的状态，这样就不能达到最终的目的。为了解决这个问题，可以在单片机的内存区开辟一个数据空间，来记录显示器上每个点的显示情况，代码如下：
static uint8 LCD_RAM[128*8]={0}；//开辟显示缓冲区
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）））；//写页地址
LCD12864_WriteCommand（0x10+（（x>>4）&0x0F））；
//写列地址，高低字节两次写入
LCD12864_WriteCommand（0x00+（x&0x0F））；
LCD12864_WriteData（LCD_RAM[x+128*（7-（y>>3））]）；
//写入数据
}
因为液晶模块未带字库，在字符显示前，需要将其字模存入单片机的程序存储空间中，然后在任意坐标显示一个点的基础上，实现字符的显示。8×16字符显示的驱动程序如下：
void LCD12864_PutChar8x16（uint32 Char_x，uint32 Char_y，uint8 c）
{……
Temp=Font8x16[c*16+i]；//获取字模
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 实例设计
以单片机STM32F103C8T6作为控制核心，在LCD12864驱动程序的基础上，实现了贪吃蛇游戏的功能。贪吃蛇游戏程序主要分为3个子程序模块，即键盘扫描模块、LCD12864驱动模块和贪吃蛇游戏数据处理模块。贪吃蛇程序流程图如图3所示。
游戏中的食物和蛇可以看作两个不同的对象，它们的属性可以用两个结构体变量来描述，然后根据游戏功能将整个大模块合理地划分为各个子模块，并编写相应的功能函数，供主模块函数调用。在设计程序时，定义蛇的最长长度为15，蛇运动区域的长为20个单位，宽为15个单位，即横坐标的坐标范围为1~20，纵坐标的坐标范围为1~15。贪吃蛇游戏中定义了食物结构体和蛇结构体变量。食物结构体定义为：
struct{uint8 X；uint8 Y；}Food；
蛇体的最大长度宏定义为：
#define SNAKE_LONG_MAX 15
蛇结构体变量中定义了蛇体长度、蛇的等级和蛇的分数，具体定义为：
struct{
uint8 X[SNAKE_LONG_MAX_]；
uint8 Y[SNAKE_LONG_MAX]；
uint8 Long；
uint8 Level；
uint16 Score；}Snake；
显示无符号整形数据功能函数定义为：
void LCD12864_PutUintNumber（uint32 Num_x，uint32Num_y，uint32 Uint_Num，uint8 Num_N）
显示或者熄灭一个蛇体单位功能函数定义为：
void DiaplaySnakePoint（uint8 x，uint8 y，uint8 Point_Stu）
判断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（）；}}
判断蛇是否吃到食物程序如下：
if（（Snake.X[0]==Food.X）&&（Snake.Y[0]==Food.Y））
{Snake.Long++；//蛇身长度加1
Snake.Score+=10；//得分数增加
LCD12864_PutUintNumber（96，63-48，Snake.Score，4）；
//屏幕上更新分数
Snake.X[Snake.Long-1]=Snake_End_x；
Snake.Y[Snake.Long-1]=Snake_End_y；
DiaplaySnakePoint（Snake_End_x，Snake_End_y，1）；
//蛇体向后增长1个单位
Put_Food（）；//放置食物
}Delayms（3000-300*Snake.Level）；//根据蛇体等级延时
在贪吃蛇游戏的程序设计中，放置食物的程序会涉及如何获取随机数的问题，为了增加游戏的随机性，本次设计不采用伪随机数产生的方法，而是利用单片机的AD采样引脚在悬空的情况下采样，获得的AD值作为随机种子，然后通过一系列的运算来得到随机数，经过实践得知，此种方式得到的随机数更真实，效果很好。食物放置程序如下：
void Put_Food（void）{…..
AD_Temp=ADC_ConvertedValue；//获取随机种子
Food.X=（AD_Temp%20）+1；
//随机获取食物横坐标（1~20）
Food.Y=（AD_Temp%15）+1；
//随机获取食物纵坐标（1~15）
……
DiaplaySnakePoint（Food.X，Food.Y，1）；//显示食物
}
4 结论
STM32F103C8T6是一款高性能的单片机，LCD12864硬件接口简单，所占用单片机的I/O口资源非常少，单片机有足够的硬件资源供其他外设使用，显示系统可以作为其他嵌入式系统的一部分，运用于不同的显示场合；系统的程序设计采用的是C语言，其移植性非常好，模块化的设计思想可以在系统中灵活地扩展其他功能，满足不同的显示要求。
参考文献
[1] 刘金星，李洪文.基于高速单片机的液晶显示模块控制[J].液晶与显示，2011，26（1）：88-91.
[2] 韩敬海，王蕊.Cortext-M3开发技术与实现[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.
[3] 陈杨杨，陈梅.基于PIC18F458单片机的LCD显示[J].仪表技术，2005（4）：52-53.
[4] 武俊鹏，张国印，姚爱红，等.基于ARM的嵌入式系统设计实验与实践教程[M].北京：清华大学出版社，2011.
[5] 石红晓，吴光敏.基于Nios II处理器的TFT-LCD图形显示设计[J].微型机与应用，2010，29（18）：37-39.