基于STM32F103与U8g2库的OLED图形显示

一、 器材与软件环境

1. 硬件：
   • STM32F103C8T6核心板 x1
   • 0.96寸OLED显示屏 (SSD1306驱动， I2C接口) x1
   • ST-LINK/V2调试下载器 x1
   • 杜邦线 若干
2. 软件：
   • STM32CubeMX
   • Keil MDK-ARM (Keil 5)

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二、 原理简述

1. I2C协议： 一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它由SDA（串行数据线） 和SCL（串行时钟线） 构成，通过地址寻址方式实现主从设备间的通信。本实验中，STM32作为主设备，OLED屏作为从设备。
2. OLED显示原理： 0.96寸OLED屏像素为128x64，每个像素点自发光，无需背光。它通过I2C接收STM32发送的命令和数据来控制每个像素点的亮灭。显示汉字或图片的本质是向OLED的GDDRAM（图形显示数据RAM）写入对应的点阵数据。
3. U8g2库： 一个用于嵌入式设备的单色图形库，支持多种显示器控制器和单片机平台。它封装了底层驱动，提供了大量高层API（如绘制点、线、圆、字符、汉字、位图等），极大简化了图形界面开发。

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三、 步骤

第一部分：硬件连接与STM32CubeMX工程创建

步骤 1：硬件连接

将OLED屏与STM32F103C8T6按照下表用杜邦线连接：

OLED屏引脚	STM32F103C8T6引脚	说明
VCC	3.3V	电源正极
GND	GND	电源地
SCL	PB6	I2C1时钟线
SDA	PB7	I2C1数据线

步骤 2：使用STM32CubeMX创建工程并配置时钟和I2C

1.打开STM32CubeMX，点击 File -> New Project。

2.在芯片选择器中，在搜索框输入 STM32F103C8，然后在下方列表中选择 STM32F103C8Tx，点击 Start Project。

3.配置时钟源：

• 在 Pinout & Configuration 标签页下，左侧目录找到 RCC。
• 将 High Speed Clock (HSE) 设置为 Crystal/Ceramic Resonator。

4.配置I2C1：

• 在左侧目录找到 I2C1。
• 将 I2C1 Mode 设置为 I2C。
• 此时，右侧的原理图上，PB6和PB7会自动被配置为I2C1的SCL和SDA。

5.配置时钟树：

• 点击上方 Clock Configuration 标签。
• 为了获得较好的性能，我们将系统时钟配置到最高72MHz。找到HSE，输入8（因为外部晶振通常是8MHz），然后在System Clock Mux处选择PLLCLK，最后在右侧的HCLK输入72，并按下回车。软件会自动完成PLL的倍频配置。

6.生成工程代码：

• 点击 Project Manager 标签。
• 在 Project 子标签下，设置 Project Name 。
• 将 Toolchain / IDE 设置为 MDK-ARM V5。
• 在 Code Generator 子标签下，推荐选择 Copy all used libraries into the project folder 以便于代码管理。
• 点击右上角的 GENERATE CODE 按钮，生成Keil工程文件。

第二部分：获取并移植U8g2库

步骤 3：下载U8g2库源码

1. 访问U8g2的官方GitHub仓库：https://github.com/olikraus/u8g2
2. 点击 Code -> Download ZIP，将整个库下载到本地并解压。
   

步骤 4：将U8g2文件添加到Keil工程

1. 打开上一步由CubeMX生成的Keil工程文件 (.uvprojx)。
2. 在Keil的 Project 窗口中，右键点击 Source Group 1（或您的组名），选择 Add Existing Files to Group 'Source Group 1'...。
3. 在弹出的文件浏览器中，导航到您解压的U8g2库的 csrc 文件夹。这个文件夹包含了所有C源码文件。
4. 我们需要添加以下关键文件：
   • u8x8_d_ssd1306_128x64_noname.c (可以删除除了这个驱动文件以外的其他u8x8_d_…文件)
   • u8g2_d_setup.c ( u8g2_d_ssd1306_128x64_noname_f 函数所在的文件且文件中可以只留下这个函数)
   • u8g2_d_memory.c（u8g2_m_16_8_f函数所在的文件且文件中可以只留下这个函数）
   • u8g2_d_lcd.c
   • u8g2_ll_hvline.c
   • u8g2_buffer.c
   • u8g2_font.c
   • u8g2_hvline.c
   • u8g2_selection_list.c
   • u8g2_circle.c
   • u8g2_line.c
   • u8g2_polygon.c
   • u8g2_bezier.c
   • u8g2_box.c
   • u8g2_cleardisplay.c (这个文件可能不存在，如果没有，请添加 u8g2_clear_display.c)
   • u8g2_setup.c
   • u8g2_fonts.c

5.添加头文件路径：

• 在Keil中，点击魔术棒按钮 Options for Target。
• 选择 C/C++ 标签。
• 在 Include Paths 一栏，点击末尾的 ... 按钮。
• 点击 New Line 按钮 (文件夹带*号图标)，然后添加U8g2库的 csrc 文件夹路径。
  
  

步骤 5：编写硬件层驱动函数 (HAL库适配)

U8g2库需要依赖您实现的底层gpio_and_delay函数。我们需要创建一个新文件来实现它。

1. 在Keil工程中，右键 Source Group 1 -> Add New Item to Group 'Source Group 1'，选择 C File (.c)，命名为 u8g2_port.c。用同样的方法添加对应的头文件 u8g2_port.h。

2. 在 u8g2_port.h 中写入以下内容：

   #ifndef U8G2_PORT_H
   #define U8G2_PORT_H
   
   #include "stm32f1xx_hal.h" // 确保包含HAL库头文件
   #include "u8g2.h"         // 包含U8g2库头文件
   
   // 声明一个外部变量，用于I2C句柄，我们将在main.c中定义它
   extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;
   
   // 声明U8g2的初始化函数
   uint8_t u8x8_stm32_gpio_and_delay(U8X8_UNUSED u8x8_t *u8x8, U8X8_UNUSED uint8_t msg, U8X8_UNUSED uint8_t arg_int, U8X8_UNUSED void *arg_ptr);
   uint8_t u8x8_byte_hw_i2c(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr);
   
   #endif
   

3. 在 u8g2_port.c 中写入以下内容：

   #include "u8g2_port.h"
   
   // GPIO和延时函数
   uint8_t u8x8_stm32_gpio_and_delay(U8X8_UNUSED u8x8_t *u8x8, U8X8_UNUSED uint8_t msg, U8X8_UNUSED uint8_t arg_int, U8X8_UNUSED void *arg_ptr)
   {
     switch (msg)
     {
     case U8X8_MSG_GPIO_AND_DELAY_INIT: // 初始化，被u8g2.begin()调用
       // 这里可以放置一些初始化的代码，但HAL库已经通过CubeMX初始化好了，通常为空。
       break;
     case U8X8_MSG_DELAY_MILLI:         // 延时毫秒命令
       HAL_Delay(arg_int);               // 调用HAL库的延时函数
       break;
     case U8X8_MSG_DELAY_10MICRO:       // 延时10微秒命令 (对于I2C通常不需要)
       for (uint16_t n = 0; n < 80; n++) // 粗略的10us延时循环，根据CPU频率调整
       {
         __NOP();
       }
       break;
     case U8X8_MSG_DELAY_100NANO:       // 延时100纳秒命令 (对于I2C通常不需要)
       __NOP(); // 执行一个空操作，大约几十纳秒
       break;
     default:
       return 0; // 消息未知，返回0表示失败
     }
     return 1; // 消息处理成功
   }
   
   // I2C字节传输函数
   uint8_t u8x8_byte_hw_i2c(u8x8_t *u8x8, uint8_t msg, uint8_t arg_int, void *arg_ptr)
   {
     static uint8_t buffer[32]; // U8g2将会分块传输数据，32字节是常见的块大小
     static uint8_t buf_idx;
     uint8_t *data;
   
     switch (msg)
     {
     case U8X8_MSG_BYTE_SEND: // 发送数据，arg_ptr指向要发送的数据，arg_int是数据长度
       data = (uint8_t *)arg_ptr;
       while (arg_int > 0)
       {
         buffer[buf_idx++] = *data;
         data++;
         arg_int--;
       }
       break;
     case U8X8_MSG_BYTE_INIT: // 初始化，这里不需要做什么
       break;
     case U8X8_MSG_BYTE_SET_DC: // 设置数据/命令引脚，对于硬件I2C，这个信息通常包含在地址中，所以这里什么都不做。
       break;
     case U8X8_MSG_BYTE_START_TRANSFER: // 开始传输
       buf_idx = 0;
       break;
     case U8X8_MSG_BYTE_END_TRANSFER: // 结束传输，将缓冲区的数据通过HAL_I2C_Master_Transmit发送出去
       // 0x78 是SSD1306的I2C地址（7位地址左移一位后为0x3C << 1 = 0x78）
       if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x78, buffer, buf_idx, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
       {
         return 0; // 传输失败
       }
       break;
     default:
       return 0;
     }
     return 1;
   }
   

4. 将 u8g2_port.c 添加到Keil工程的 Source Group 1 中。

第三部分：编写主程序，实现显示功能

步骤 6：修改主程序 main.c

1. 在 main.c 的 /* USER CODE BEGIN Includes */ 区域，包含头文件：

   /* USER CODE BEGIN Includes */
   #include "u8g2.h"
   #include "u8g2_port.h"
   /* USER CODE END Includes */
   

2. 在 /* USER CODE BEGIN PV */ 区域，定义一个U8g2对象：

   /* USER CODE BEGIN PV */
   u8g2_t u8g2; // 定义一个U8g2结构体
   /* USER CODE END PV */
   

3. 在 /* USER CODE BEGIN 2 */ 区域，初始化U8g2库：

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   // 初始化U8g2库，配置为SSD1306驱动，128x64分辨率，硬件I2C
   u8g2_Setup_ssd1306_i2c_128x64_noname_f(&u8g2, U8G2_R0, u8x8_byte_hw_i2c, u8x8_stm32_gpio_and_delay);
   u8g2_InitDisplay(&u8g2); // 发送初始化序列到显示器
   u8g2_SetPowerSave(&u8g2, 0); // 唤醒显示器
   u8g2_ClearBuffer(&u8g2);     // 清除内部缓冲区
   
   // 显示欢迎信息或测试图形
   u8g2_SetFont(&u8g2, u8g2_font_ncenB08_tr); // 设置字体
   u8g2_DrawStr(&u8g2, 0, 20, "U8g2 Init OK!"); // 在坐标(0,20)绘制字符串
   u8g2_SendBuffer(&u8g2); // 将缓冲区内容发送到显示器
   
   HAL_Delay(2000); // 延时2秒
   /* USER CODE END 2 */
   

4. 在 /* USER CODE BEGIN 3 */ ，实现显示。

   1：显示qq和id

   /* USER CODE BEGIN 3 */
   u8g2_ClearBuffer(&u8g2); // 清除缓冲区
   u8g2_SetFont(&u8g2, u8g2_font_unifont_t_chinese2);
   u8g2_DrawUTF8(&u8g2, 0, 20, "QQ：361***717");
   u8g2_DrawUTF8(&u8g2, 0, 40, "ID:CYUE18");
   u8g2_SendBuffer(&u8g2);
   HAL_Delay(3000); // 显示3秒
   

   2：上下滑动显示 (使用第一页缓冲技术)

   //2：上下滑动显示
   u8g2_SetFont(&u8g2, u8g2_font_6x10_tf);
   for (int pos = 64; pos >= -64; pos--) { // 从下往上滑动
     u8g2_ClearBuffer(&u8g2);
     u8g2_DrawStr(&u8g2, 0, pos, "QQ：3614789717");
     u8g2_DrawStr(&u8g2, 0, pos+20, "Line 2 of the text.");
     u8g2_SendBuffer(&u8g2);
     HAL_Delay(50); // 控制滑动速度
   }
   HAL_Delay(1000);
   

   任务 3：显示一个简单图案并添加动态效果 (这里是移动的小球)

   // 3：显示动态图案
   int ball_x = 20;
   int ball_y = 20;
   int ball_vx = 2;
   int ball_vy = 2;
   int ball_radius = 5;
   
   for (int i = 0; i < 150; i++) {
     u8g2_ClearBuffer(&u8g2);
   
     // 绘制边框
     u8g2_DrawFrame(&u8g2, 0, 0, 128, 64);
     
     // 绘制背景网格线（可选）
     for (int x = 20; x < 128; x += 20) {
       u8g2_DrawVLine(&u8g2, x, 0, 64);
     }
     for (int y = 16; y < 64; y += 16) {
       u8g2_DrawHLine(&u8g2, 0, y, 128);
     }
     
     // 绘制移动的小球
     u8g2_DrawDisc(&u8g2, ball_x, ball_y, ball_radius, U8G2_DRAW_ALL);
     
     // 在小球中心画个点，方便观察
     u8g2_DrawPixel(&u8g2, ball_x, ball_y);
   
     // 显示简单的帧数信息（不使用snprintf）
     u8g2_SetFont(&u8g2, u8g2_font_5x7_tf);
     
     // 方法1：直接绘制数字（简单可靠）
     u8g2_DrawStr(&u8g2, 100, 10, "F:");
     u8g2_SetCursor(&u8g2, 110, 10);
     u8g2_PrintU8(&u8g2, i % 100);  // U8g2自带的数字打印函数
     
     // 方法2：如果需要显示位置，使用简单条件显示
     if (ball_vx > 0) {
       u8g2_DrawStr(&u8g2, 90, 20, "Right");
     } else {
       u8g2_DrawStr(&u8g2, 90, 20, "Left");
     }
     
     if (ball_vy > 0) {
       u8g2_DrawStr(&u8g2, 90, 30, "Down");
     } else {
       u8g2_DrawStr(&u8g2, 90, 30, "Up");
     }
   
     // 更新小球位置
     ball_x += ball_vx;
     ball_y += ball_vy;
   
     // 改进的边界碰撞检测（考虑小球半径）
     if (ball_x <= ball_radius) {
       ball_vx = -ball_vx;
       ball_x = ball_radius; // 防止卡在左边界
     }
     if (ball_x >= 128 - ball_radius) {
       ball_vx = -ball_vx;
       ball_x = 128 - ball_radius; // 防止卡在右边界
     }
     
     if (ball_y <= ball_radius) {
       ball_vy = -ball_vy;
       ball_y = ball_radius; // 防止卡在上边界
     }
     if (ball_y >= 64 - ball_radius) {
       ball_vy = -ball_vy;
       ball_y = 64 - ball_radius; // 防止卡在下边界
     }
   
     u8g2_SendBuffer(&u8g2);
     HAL_Delay(35); // 控制动画帧率
   }
   

步骤 7：编译与下载

1. 在Keil中，点击 Rebuild (F7) 按钮编译整个工程。确保0 Errors, 0 Warnings。

2. 将ST-LINK通过USB连接电脑，并与STM32板子正确连接。

3. 点击 Load (F8) 按钮将程序下载到STM32中。

4. 下载完成后，系统会自动复位运行。观察OLED屏幕的显示效果。

1. I2C波形分析

如果使用Keil的逻辑分析仪采集I2C的SDA波形，应该能看到标准的I2C通信时序：

• 起始条件：SCL高电平时SDA由高变低
• 设备地址：7位从设备地址（0x3C） + 读写位（0）
• 数据帧：多个8位数据字节
• 停止条件：SCL高电平时SDA由低变高

2. 替代分析方法

如果无法采集真实I2C信号，可以采用以下方法：

• 软件模拟I2C：使用GPIO模拟I2C时序，便于调试和观测
• 串口打印调试：在关键代码位置添加串口输出，分析程序执行流程
• 逻辑分析仪：使用外部逻辑分析仪捕获和分析I2C信号
• 示波器观测：使用数字示波器观察SDA和SCL的波形