點(diǎn)陣液晶屏畫豎線算法的優(yōu)化及應(yīng)用

液晶顯示屏(liquid crystal display，LCD) 因具有低功耗、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、顯示信息量大、無(wú)閃爍等諸多特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種顯示領(lǐng)域。在通訊設(shè)備、家用電器、儀器儀表等產(chǎn)品中，其顯示部件也越來(lái)越多采用了各種小尺寸的液晶顯示模塊（LCD Module，LCM）。液晶顯示模塊根據(jù)顯示方式可分為段位型、字符型和點(diǎn)陣型三種。其中點(diǎn)陣液晶顯示模塊由于既能顯示字符，又能顯示各種圖形，被廣泛應(yīng)用于對(duì)圖文顯示要求相對(duì)較高的場(chǎng)合中。在進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)時(shí)，矩形、圓、橢圓等都是常用的圖形元素，繪圖時(shí)都可通過(guò)調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于單片機(jī)控制的小尺寸LCM 來(lái)說(shuō)，當(dāng)繪制的圖形點(diǎn)數(shù)較多（如內(nèi)部填充的圖形），如采用畫點(diǎn)函數(shù)來(lái)繪制每個(gè)點(diǎn)，運(yùn)行速度會(huì)比較慢。如我們根據(jù)LCM 內(nèi)部顯示存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)畫豎線程序進(jìn)行優(yōu)化，采用優(yōu)化的畫豎線程序來(lái)繪制這些內(nèi)部填充的基本圖形，將可以大大提高程序的運(yùn)行速度。本文將以STC90C52RC 單片機(jī)控制128（列）×64（行）點(diǎn)陣液晶顯示模塊（TG12864B）為例，根據(jù)LCM 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其畫豎線程序進(jìn)行優(yōu)化，并將它應(yīng)用到繪制內(nèi)部填充的矩形、圓、橢圓等基本圖形中。

1   LCM與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

TG12864B 是廣州同華公司生產(chǎn)的一款無(wú)字庫(kù)的單色點(diǎn)陣液晶顯示模塊，控制芯片為SBN0064，支持68時(shí)序8 位并行總線，采用標(biāo)準(zhǔn)20 腳接口^[1]。VDD、VSS為模塊邏輯電路電源，VEE 是模塊內(nèi)部提供的液晶驅(qū)動(dòng)電壓，V0 是液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端，LED+、LED- 是背光電源。單片機(jī)STC90C52RC 通過(guò)I/O 方式讀寫控制TG12864B 液晶模塊，見(jiàn)圖1 所示。

2   LCM畫豎線算法的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

我們采用的屏坐標(biāo)系：TG12864B 屏的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0），水平方向?yàn)閤 軸，自左向右；垂直方向?yàn)閥 軸，自上向下。TG12864B 屏上各點(diǎn)的亮滅由其內(nèi)置的顯示數(shù)據(jù)RAM(DDRAM) 控制。這DDRAM 的每一位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)屏上一個(gè)點(diǎn)的亮（數(shù)據(jù)為1）和暗（數(shù)據(jù)為0）。DDRAM 與頁(yè)、列地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1所示。

CS1=1 時(shí)，DDRAM 的列地址0-63 對(duì)應(yīng)左半屏的0-63 列；CS2=1 時(shí)，DDRAM 的列地址0-63 對(duì)應(yīng)右半屏的0-63 列。DDRAM 的頁(yè)地址為0-7，每頁(yè)8 位，共64 位，分別對(duì)應(yīng)著顯示屏的0-63 行。用戶可通過(guò)頁(yè)地址和列地址按字節(jié)讀寫DDRAM。

2.1 畫點(diǎn)程序

對(duì)點(diǎn)陣顯示屏來(lái)說(shuō)，點(diǎn)是一切圖形的基礎(chǔ)。對(duì)單色屏來(lái)說(shuō)，對(duì)它的每個(gè)像素點(diǎn)只有三種操作：畫點(diǎn)、擦除點(diǎn)、取反點(diǎn)（點(diǎn)由亮變暗，或由暗變亮）。根據(jù)LCM 內(nèi)部的DDRAM 結(jié)構(gòu)，我們?cè)谄淦聊簧厦璁嬕粋€(gè)點(diǎn)，比如點(diǎn)（15,20），步驟如下：

（1）根據(jù)點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)（15,20），計(jì)算出它的DDRAM 地址：左半屏（CS1=1），DDRAM 列地址為15，頁(yè)地址為2。

（2）讀出該地址對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元（1 字節(jié)）的數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)需要對(duì)該點(diǎn)的操作（畫點(diǎn)、擦除點(diǎn)、取反點(diǎn)），對(duì)該字節(jié)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)位（DB4 位）進(jìn)行相應(yīng)的處理，獲得一個(gè)新的數(shù)據(jù)。

（4）將新數(shù)據(jù)寫回原地址的DDRAM。

按以上思路，用C 語(yǔ)言編寫TG12864B 的畫點(diǎn)函數(shù)如下。為了書寫方便，我們重新定義無(wú)符號(hào)字符數(shù)據(jù)類型為uchar。程序中用到兩個(gè)讀、寫DDRAM的底層函數(shù)，聲明如下：

uchar ReadPosDat(uchar page,uchar col);

// 讀DDRAM page 頁(yè)，col 列的一字節(jié)數(shù)據(jù)， 并返回

void WritePosDat(uchar page,uchar col,uchar dat);

// 將一字節(jié)數(shù)據(jù)dat 寫到DDRAM page 頁(yè)，col 列

/**************************************************

參數(shù)：屏幕像素坐標(biāo)（x，y），列x（0-127），行y（0-63）

type=0: 該點(diǎn)填充0，擦除點(diǎn)

type=1: 該點(diǎn)填充1，畫點(diǎn)

type=2: 該點(diǎn)取反 ，取反點(diǎn)

**************************************************/

void draw_point(uchar x,uchar y,uchar type){ uchar dat,page;

2.2 傳統(tǒng)的畫豎線程序

直線由點(diǎn)構(gòu)成。給出豎線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)前面的畫點(diǎn)函數(shù)便可逐點(diǎn)畫出豎線，其C語(yǔ)言程序如下：

/**************************************************

畫豎線函數(shù)( 利用畫點(diǎn)函數(shù))

參數(shù)：type=0， 擦除；type=1， 畫線；type=2，取反x 為水平坐標(biāo)值，y0，y1 為起點(diǎn)和終點(diǎn)的垂直坐標(biāo)值

**************************************************/

2.3 畫豎線程序的優(yōu)化

根據(jù)表1 DDRAM 與屏幕顯示位置的關(guān)系， 由DDRAM 頁(yè)地址和列地址確定的1 個(gè)字節(jié)單元對(duì)應(yīng)著屏幕的Y 軸方向的8 個(gè)像素點(diǎn)。在我們上面?zhèn)鹘y(tǒng)的畫豎線程序中，采用逐點(diǎn)描畫豎線，對(duì)同一個(gè)DDRAM 字節(jié)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，也需要重復(fù)的操作8 次：重復(fù)讀同一個(gè)DDRAM 字節(jié)8 次，計(jì)算該字節(jié)上對(duì)應(yīng)位8 次，回寫該字節(jié)8 次。顯然，這是一個(gè)巨大的冗余。其實(shí)，根據(jù)DDRAM 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在畫豎線時(shí)，我們通過(guò)讀、修改、寫DDRAM 1 個(gè)字節(jié)1 次，就可直接描畫出豎線上的8個(gè)點(diǎn)。而且，在進(jìn)行畫線或擦除線操行時(shí)，除了豎線的起點(diǎn)和終點(diǎn)所在DDRAM 字節(jié)，我們需要進(jìn)行讀、修改、寫操作，豎線經(jīng)過(guò)的中間字節(jié)，我們直接寫入全1 或全0 就可以了，這將大大提高程序的運(yùn)行速度?；谝陨纤枷?，我們對(duì)畫豎線程序進(jìn)行優(yōu)化，其C 語(yǔ)言程序如下：

/*************************************************

優(yōu)化的畫豎線函數(shù)

參數(shù)：type=0， 擦除；type=1， 畫線；type=2，取反x 為水平坐標(biāo)值，y0，y1 為起始和終點(diǎn)的垂直坐標(biāo)值

**************************************************/

2.4 畫豎線程序的測(cè)試

對(duì)這兩種畫豎線函數(shù)，輸入各種不同的運(yùn)行參數(shù)(uchar x,uchar y0, uchar y1,uchar type)，測(cè)量它們的運(yùn)行效果和時(shí)間。

運(yùn)行時(shí)間測(cè)試方法：采用電路中的STC90C52RC單片機(jī)（外接晶振12MHz）的定時(shí)器T0 進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置T0 為16 位定時(shí)模式，一次定時(shí)50 ms，采用中斷方式工作。50 ms 以上的時(shí)間，通過(guò)統(tǒng)計(jì)中斷次數(shù)計(jì)算獲得，50 ms 以內(nèi)的時(shí)間，通過(guò)讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)寄存器TH0、TL0 獲得。經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，兩種畫豎線函數(shù)均能正確畫出相應(yīng)的豎線，運(yùn)行時(shí)間如表2 所示。

在以上三組測(cè)試數(shù)據(jù)中，傳統(tǒng)的畫豎線程序的運(yùn)時(shí)間分別是優(yōu)化的畫豎線程序的5.7 倍、11.5 倍和9.1 倍，優(yōu)化效果顯著。

3   畫豎線程序在圖形填充中的應(yīng)用

在進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)時(shí)，矩形、圓、橢圓等都是常用的基本圖形元素。采用優(yōu)化的畫豎線程序來(lái)繪制這些內(nèi)部填充的基本圖形，相比直接采用畫點(diǎn)函數(shù)（種子填充法、掃描線填充法^[2]）或基于畫點(diǎn)函數(shù)的傳統(tǒng)畫豎線程序，可以大幅地提高程序的運(yùn)行速度。

3.1 畫填充矩形

給出矩形的左上角點(diǎn)和右下角點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)上面的畫豎線函數(shù)，便可從左到右逐根豎線地繪制出填充的矩形，其C 語(yǔ)言程序如下：

/*************************************************

畫填充矩形函數(shù)

參數(shù)：x0、y0 為矩形左上角點(diǎn)坐標(biāo)

x1、y1 為矩形右下角點(diǎn)坐標(biāo)

type=0，填充0；type=1，填充1；type=2，

取反

**************************************************/

void draw_rectangle_fill(uchar x0,uchar y0,uchar x1,uchar y1,uchar type)

{ while(x0 <= x1)// 畫填充矩形

          { imp_vline(x0,y0,y1,type);

            x0 ++;

           }

}

對(duì)調(diào)用傳統(tǒng)的畫豎線函數(shù)實(shí)現(xiàn)的填充矩形函數(shù)和調(diào)用優(yōu)化的畫豎線函數(shù)實(shí)現(xiàn)的填充矩形函數(shù)，輸入各種不同的運(yùn)行參數(shù)(uchar x0，uchar y0，uchar x1，uchar y1，uchar type)，測(cè)量它們的運(yùn)行效果和時(shí)間。經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，兩種畫填充矩形函數(shù)均能正確畫出相應(yīng)的矩形，運(yùn)行時(shí)間如表3 所示。

在以上三組測(cè)試數(shù)據(jù)中，采用傳統(tǒng)畫豎線函數(shù)的填充矩形程序的運(yùn)行時(shí)間分別是采用優(yōu)化畫豎線函數(shù)的填充矩形程序的9.3 倍、10.0 倍、9.1 倍，優(yōu)化效果顯著。

3.2 畫填充橢圓

根據(jù)中點(diǎn)生成橢圓的整數(shù)型算法^[3]，可計(jì)算出橢圓圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)橢圓在第一象限上的1/4 橢圓弧的各點(diǎn)坐標(biāo)。再由橢圓關(guān)于X 軸和Y 軸的對(duì)稱性，便可得到其在另外3 個(gè)象限的橢圓弧坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)平移，就可得到橢圓圓心在任意位置的橢圓弧各點(diǎn)坐標(biāo)。以橢圓弧關(guān)于過(guò)橢圓圓心的水平線對(duì)稱的每一對(duì)點(diǎn)為端點(diǎn)畫豎線，便能畫出內(nèi)部填充的橢圓。

對(duì)調(diào)用傳統(tǒng)的畫豎線函數(shù)實(shí)現(xiàn)的填充橢圓函數(shù)和調(diào)用優(yōu)化的畫豎線函數(shù)實(shí)現(xiàn)的填充橢圓函數(shù)，輸入各種不同的運(yùn)行參數(shù)(uchar x0，uchar y0，uchar a，uchar b，uchar type) ，（x0，y0）為橢圓圓心坐標(biāo)，a 為橢圓長(zhǎng)半軸，b 為橢圓短半軸。測(cè)量它們的運(yùn)行效果和時(shí)間。經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，兩種畫填充橢圓函數(shù)均能正確畫出相應(yīng)的橢圓，運(yùn)行時(shí)間如表4 所示。

在以上三組測(cè)試數(shù)據(jù)中，采用傳統(tǒng)畫豎線函數(shù)的填充橢圓程序的運(yùn)行時(shí)間分別是采用優(yōu)化畫豎線函數(shù)的填充橢圓程序的7.8 倍、10.0 倍、6.1 倍，優(yōu)化效果顯著。

5   結(jié)論

本文以SBN0064 控制的點(diǎn)陣液晶模塊TG12864B為例，根據(jù)LCM 內(nèi)部顯示存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，對(duì)畫豎線程序進(jìn)行優(yōu)化，在繪制豎線、填充矩形、圓形、橢圓等常用基本圖形時(shí)，可以大幅度地提高程序的運(yùn)行速度，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。以上結(jié)論，亦適用于其它采用SBN0064 或其兼容芯片（ 如KS0108、S6B0108、HD61202 等）控制的12864 點(diǎn)陣液晶模塊。而對(duì)采用ST7920 或其兼容芯片控制的帶中文字庫(kù)的點(diǎn)陣液晶模塊，則可根據(jù)其內(nèi)部GDRAM 結(jié)構(gòu)，對(duì)畫橫線程序進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）