STM32F103RCT6开发：串口通信与SPI屏幕驱动实战

1. 项目概述

作为一名嵌入式开发工程师，我经常需要快速搭建STM32开发环境并验证外设功能。今天要分享的是基于STM32F103RCT6的入门级开发流程，重点讲解如何通过Cubemx和Keil搭建基础工程，并实现串口通信与1.8寸SPI屏幕的驱动。这个组合在智能家居控制面板、工业HMI等场景中非常常见。

STM32F103RCT6作为经典的Cortex-M3内核MCU，具有72MHz主频、256KB Flash和48KB RAM，完全能够胜任大多数基础控制任务。而1.8寸SPI屏幕因其体积小、功耗低、接口简单等特点，非常适合作为嵌入式设备的显示终端。通过本文的配置方法，你可以在30分钟内完成从零开始的环境搭建到屏幕显示第一个图案的全过程。

2. 开发环境准备

2.1 硬件选型与连接

对于这个项目，我们需要准备以下硬件组件：

• STM32F103RCT6开发板（如正点原子MiniSTM32）
• 1.8寸SPI TFT屏幕（常见型号如ST7735S驱动）
• USB转TTL串口模块（如CH340G）
• 杜邦线若干

硬件连接时需特别注意：

1. 屏幕的SPI接口：SCK接PA5，MOSI接PA7，CS接PA4，DC/RS接PA2，RST接PA3（可根据实际调整）
2. 串口模块：TX接PA10(RX)，RX接PA9(TX)
3. 开发板供电：建议通过USB或外部3.3V电源供电，避免屏幕工作时电流不足

注意：不同厂家的屏幕引脚定义可能不同，务必查阅具体产品的数据手册。我曾遇到过一家厂商的DC引脚标注为RS，另一家则标注为A0，接错会导致无法通信。

2.2 软件工具安装

需要安装的软件工具链包括：

1. STM32CubeMX（最新版本，本文基于6.6.1）
2. Keil MDK-ARM（建议V5.36+）
3. ST-Link驱动（如果使用ST-Link调试器）
4. 串口调试助手（如SSCOM或Putty）

安装时的几个关键点：

• CubeMX安装时会自动下载STM32F1系列HAL库，确保网络通畅
• Keil需要注册并安装STM32F1的设备支持包（DFP）
• 建议将工具安装在默认路径，避免后续工程配置问题

3. CubeMX工程配置

3.1 创建基础工程

启动CubeMX后，按以下步骤操作：

1. 选择"New Project"，在MCU选择器中输入"STM32F103RC"
2. 确认型号后进入配置界面
3. 在"Pinout & Configuration"标签页开始外设配置

系统时钟配置建议：

• HSE选择Crystal/Ceramic Resonator
• 时钟树配置为72MHz（HCLK）
• APB1 Prescaler设为2（36MHz），APB2保持72MHz

3.2 串口配置

我们需要配置USART1用于调试输出：

1. 在Connectivity中选择USART1
2. Mode选择"Asynchronous"
3. 参数设置：波特率115200，8位数据，无校验，1停止位
4. 开启USART1全局中断（NVIC Settings中使能USART1中断）

引脚自动分配应为：

• PA9作为USART1_TX
• PA10作为USART1_RX

调试心得：建议在项目初期就启用串口调试功能，HAL库提供的printf重定向方法非常实用。我曾在一个项目中因为没有及时配置串口，导致后期调试花费了大量时间。

3.3 SPI屏幕接口配置

对于1.8寸SPI屏幕，我们需要配置软件SPI（模拟时序）：

1. 将CS、DC、RST引脚配置为GPIO_Output
   • CS: PA4 (推挽输出，初始高电平)
   • DC: PA2 (推挽输出)
   • RST: PA3 (推挽输出)
2. SPI时钟(SCK)和数据(MOSI)引脚：
   • SCK: PA5 (推挽输出)
   • MOSI: PA7 (推挽输出)
3. 不需要配置硬件SPI外设，因为我们使用软件模拟

屏幕背光控制：

• 如果有背光控制引脚（如BLK），可配置为PWM输出实现亮度调节
• 简单应用也可直接接3.3V常亮

4. Keil工程生成与配置

4.1 生成工程文件

在CubeMX中完成配置后：

1. 点击"Project Manager"标签
2. 设置工程名称和存储路径
3. Toolchain选择"MDK-ARM V5"
4. 勾选"Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files"
5. 点击"Generate Code"生成工程

4.2 Keil工程设置

打开生成的Keil工程后，需要检查以下设置：

1. 目标选项（Options for Target）：
   • Device确认是STM32F103RC
   • Output中勾选"Create HEX File"
   • Debug中选择正确的调试器（如ST-Link Debugger）
2. C/C++选项卡：
   • 确保包含路径正确（尤其HAL库路径）
   • 预定义宏应有"USE_HAL_DRIVER,STM32F103xx"
3. 添加必要的用户代码目录

4.3 基础代码结构

生成的工程包含以下关键文件：

• Core/Src/main.c：主程序入口
• Core/Src/stm32f1xx_it.c：中断服务程序
• Core/Inc/main.h：全局定义
• Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver：HAL库文件

建议的代码组织方式：

1. 在Core/Src下新建lcd.c/.h用于屏幕驱动
2. 在Core/Inc/main.h中添加必要的宏定义
3. 保持CubeMX生成的用户代码区域标记（/* USER CODE BEGIN */）

5. 串口通信实现

5.1 printf重定向

为了方便调试，我们重定向printf到串口：

1. 在main.c中包含stdio.h
2. 添加以下代码：

c复制#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

3. 在main()中初始化后即可使用printf

5.2 串口收发测试

编写简单的回显测试程序：

c复制uint8_t rxData;
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if(huart->Instance == USART1) {
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &rxData, 1, 100);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxData, 1);
    }
}

// 在main()初始化部分添加：
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxData, 1);

测试方法：

1. 连接串口模块到PC
2. 打开串口调试助手，设置115200波特率
3. 发送任意字符，应能收到相同字符回传

常见问题：如果收不到回显，检查：

1. 串口线是否接反（TX-RX交叉）
2. 波特率是否匹配
3. 开发板供电是否正常

6. 1.8寸SPI屏幕驱动实现

6.1 屏幕初始化序列

根据ST7735S数据手册，典型的初始化流程如下：

1. 硬件复位（拉低RST引脚至少10ms）
2. 发送软件复位命令（0x01）
3. 设置内存访问控制（0x36）
4. 配置颜色模式（如0x3A设置16位RGB）
5. 设置显示区域（0x2A和0x2B命令）
6. 开启显示（0x29）

具体实现代码示例：

c复制void LCD_Init(void) {
    // 硬件复位
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_RST_GPIO_Port, LCD_RST_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(20);
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_RST_GPIO_Port, LCD_RST_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(120);
    
    // 发送初始化命令序列
    LCD_WriteCommand(0x01); // Software reset
    HAL_Delay(150);
    
    LCD_WriteCommand(0x11); // Sleep out
    HAL_Delay(255);
    
    LCD_WriteCommand(0x3A); // Color mode
    LCD_WriteData(0x05);    // 16-bit/pixel
    // ...更多初始化命令
}

6.2 软件SPI实现

由于使用GPIO模拟SPI，需要实现基本时序：

c复制void LCD_WriteCommand(uint8_t cmd) {
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_DC_GPIO_Port, LCD_DC_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 命令模式
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 片选
    
    for(uint8_t i=0; i<8; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(LCD_SCK_GPIO_Port, LCD_SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        if(cmd & 0x80)
            HAL_GPIO_WritePin(LCD_MOSI_GPIO_Port, LCD_MOSI_Pin, GPIO_PIN_SET);
        else
            HAL_GPIO_WritePin(LCD_MOSI_GPIO_Port, LCD_MOSI_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(LCD_SCK_GPIO_Port, LCD_SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
        cmd <<= 1;
    }
    
    HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

数据传输函数类似，只是DC引脚状态不同。

6.3 基本图形绘制

实现几个基础绘图函数：

c复制// 设置绘制区域
void LCD_SetWindow(uint16_t x0, uint16_t y0, uint16_t x1, uint16_t y1) {
    LCD_WriteCommand(0x2A); // 列地址设置
    LCD_WriteData(x0 >> 8); LCD_WriteData(x0 & 0xFF);
    LCD_WriteData(x1 >> 8); LCD_WriteData(x1 & 0xFF);
    
    LCD_WriteCommand(0x2B); // 行地址设置
    LCD_WriteData(y0 >> 8); LCD_WriteData(y0 & 0xFF);
    LCD_WriteData(y1 >> 8); LCD_WriteData(y1 & 0xFF);
    
    LCD_WriteCommand(0x2C); // 内存写入
}

// 绘制像素点
void LCD_DrawPixel(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color) {
    LCD_SetWindow(x, y, x, y);
    LCD_WriteData(color >> 8);
    LCD_WriteData(color & 0xFF);
}

// 填充矩形
void LCD_FillRect(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t w, uint16_t h, uint16_t color) {
    uint32_t pixels = w * h;
    LCD_SetWindow(x, y, x+w-1, y+h-1);
    
    for(; pixels > 0; pixels--) {
        LCD_WriteData(color >> 8);
        LCD_WriteData(color & 0xFF);
    }
}

7. 系统整合与测试

7.1 主程序流程

完整的main.c示例：

c复制int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    printf("System Initialized\r\n");
    
    LCD_Init();
    LCD_FillRect(0, 0, 160, 128, RGB(255,0,0)); // 红色背景
    LCD_FillRect(20, 20, 120, 80, RGB(0,255,0)); // 绿色矩形
    printf("LCD Initialized\r\n");
    
    while (1) {
        HAL_Delay(1000);
        printf("System running...\r\n");
    }
}

7.2 性能优化技巧

1. 批量数据传输优化：

   • 对于全屏刷新，可以先将数据存入缓冲区再一次性传输
   • 使用DMA加速数据传输（需要硬件SPI支持）

2. 屏幕刷新策略：

   • 局部刷新而非全屏刷新
   • 使用双缓冲技术减少闪烁

3. 延时优化：

   • 用HAL_GetTick()替代HAL_Delay()实现非阻塞延时
   • 精确计算最小必要延时时间

8. 常见问题与解决方案

8.1 屏幕无显示

排查步骤：

1. 检查电源：测量屏幕VCC是否为3.3V
2. 检查背光：部分屏幕需要单独控制背光
3. 检查复位信号：用逻辑分析仪观察RST引脚时序
4. 检查SPI信号：确认SCK和MOSI有波形输出

8.2 显示颜色异常

可能原因：

1. 颜色格式设置错误（RGB565 vs BGR565）
2. 数据位序错误（MSB/LSB）
3. 初始化命令参数不正确

解决方法：

1. 尝试修改0x3A命令的参数（0x05/0x06）
2. 检查LCD_WriteData函数是否正确处理16位颜色

8.3 串口通信失败

诊断方法：

1. 用示波器检查TX/RX引脚是否有信号
2. 尝试降低波特率（如改为9600）
3. 检查串口模块的驱动是否安装正确

8.4 程序下载失败

常见原因：

1. 调试器连接不稳定
2. 芯片进入休眠模式
3. Flash算法选择错误

解决方法：

1. 按住复位键点击下载，在释放复位键的瞬间完成连接
2. 检查BOOT0/BOOT1引脚状态
3. 在Keil的Flash Download配置中选择正确的算法

9. 项目扩展方向

掌握了基础功能后，可以考虑以下扩展：

1. 添加触摸屏支持（如果屏幕带触摸功能）
2. 实现图形用户界面（如LVGL、emWin）
3. 开发菜单系统
4. 添加SD卡存储功能
5. 与传感器集成创建完整应用

在实际项目中，我发现这种1.8寸SPI屏幕非常适合作为设备状态显示器。比如在一个温控器项目中，我们使用类似的配置显示当前温度、设定值和系统状态，整个硬件成本不到50元，却大大提升了产品可用性。