揭秘pyEIT：5分钟掌握医学成像黑科技
2025/12/25 8:18:20
如何用4根线点亮一块LCD屏？——深入浅出解析4线SPI驱动原理与实战
你有没有遇到过这种情况：想给自己的嵌入式项目加个显示屏，翻遍模块手册却发现引脚密密麻麻，光控制线就七八根，MCU的GPIO眼看就不够用了？
别急。今天我们就来聊一个“四两拨千斤”的解决方案：只用4根信号线，就能驱动一块彩色TFT LCD屏——这就是广泛应用于中小尺寸屏幕的4线SPI接口技术。
它不是什么黑科技，也不是牺牲功能换来的妥协方案，而是在资源、速度和稳定性之间找到的最佳平衡点。接下来，我会带你从硬件连接讲到软件实现，从协议底层讲到工程避坑，让你真正搞懂：为什么这4根线，能撑起一片显示天地。
一、为什么是“4线”？SPI接口的本质与变种
说到SPI（Serial Peripheral Interface），很多人第一反应是“四根线”：SCLK、MOSI、MISO、CS。但如果你拆开一块常见的0.96英寸或1.8英寸TFT彩屏，会发现背面只有5~6个有效引脚，其中数据输入只有一个——根本没有MISO。
这是怎么回事？
答案是：在LCD应用中，我们用的其实是一种“定制化”的SPI模式，业内常称为“伪4线SPI”或“3线扩展模式”。真正的四条核心信号线其实是：
- SCLK：串行时钟，主控输出，同步每一位数据；
- MOSI：主出从入，传输命令和图像数据；
- CS：片选，决定是否响应通信；
- DC：数据/命令选择，这是关键中的关键！
📌 注意：这里的“4线”已经不再是标准SPI定义下的四线了。MISO被舍弃（因为LCD不需要回传像素数据），取而代之的是非标准但至关重要的DC（Data/Command）引脚。
你可以把它理解为一种“为显示服务而生”的精简版SPI协议。虽然少了双向通信能力，但却换来极高的集成度和低引脚成本。
二、这4根线都干什么？逐条拆解信号功能
我们来看一张典型的硬件连接图（文字描述）：
MCU (STM32 / ESP32 / Arduino等) | |--- PA5 ---> SCLK ---> LCD_SCK |--- PA7 ---> MOSI ---> LCD_MOSI (或叫SDIN) |--- PA4 ---> CS ---> LCD_CS (低电平有效) |--- PA6 ---> DC ---> LCD_DC (也标作A0/D/C) |--- PB1 ---> RST ---> LCD_RESET (可选) | |--- 3.3V ---> VCC |--- GND ---> GND1. SCLK（Serial Clock）
由MCU产生，决定数据传输的节奏。每个时钟周期传送一位数据，通常工作在1MHz~10MHz之间。频率越高刷新越快，但也越容易受干扰。
2. MOSI（Master Out Slave In）
主设备发送数据的通道。所有命令和像素值都通过这条线“推”给LCD控制器。
3. CS（Chip Select）
片选信号，相当于“喊名字”。当CS拉低时，LCD才开始监听总线；一旦拉高，立即停止接收。允许多个SPI设备共享SCLK和MOSI线路。
4. DC（Data/Command Control）
这才是灵魂所在！
它的作用是告诉LCD：“接下来我给你的是命令还是数据？”
-DC = 0→ 后续字节是控制指令，比如“清屏”、“设置方向”、“进入睡眠”；
-DC = 1→ 后续字节是真实数据，可能是颜色值、字符编码或者图像片段。
没有DC，你就没法区分“我要画红色”和“我真的要显示数字0xF800”。
⚠️ 很多初学者烧录后屏幕无反应，问题往往出在这里：代码里忘了切换DC电平，导致数据被当成命令执行，直接跑飞。
三、它是怎么工作的？一次完整的写操作流程
让我们以“在屏幕上显示字母‘A’”为例，走一遍全过程：
Step 1: CS = 0 // 拉低片选，唤醒LCD Step 2: DC = 0 // 声明接下来发的是命令 Step 3: 发送 0x2C // 写内存命令（Write GRAM） Step 4: DC = 1 // 切换为数据模式 Step 5: 发送 'A' 的ASCII码（0x41） Step 6: CS = 1 // 结束通信整个过程就像两个人打电话：
- “喂，听得到吗？”（CS=0）
- “我现在要说的是菜单项。”（DC=0）
- “第28号菜。”（发送命令）
- “现在说具体内容。”（DC=1）
- “来一份红烧肉。”（发送数据）
正是因为这种分时复用机制，才能用最少的引脚完成复杂的交互。
四、背后的功臣：LCD控制器芯片究竟做了什么？
你以为MCU是在直接操控每一个像素？错。真正在幕后操盘的是那颗小小的LCD控制器芯片，例如：
- ST7735：常见于1.8寸TFT，支持RGB565格式；
- ILI9341：2.4寸主力选手，性能强，资料全；
- SSD1306：虽用于OLED，但通信逻辑高度相似；
- PCD8544：诺基亚5110经典屏专用。
这些芯片内部集成了：
| 模块 | 功能说明 |
|---|---|
| 接口解析器 | 识别SCLK边沿、采样MOSI数据、判断DC状态 |
| 命令译码器 | 把0x21这样的十六进制数翻译成“开启反显”等动作 |
| 显存（GRAM） | 存储当前要显示的像素数据，如128×160×16bit ≈ 40KB |
| 地址指针管理器 | 自动递增写入地址，支持窗口式更新 |
| 驱动时序发生器 | 生成行扫描、列驱动脉冲，控制液晶偏转 |
换句话说，你只需要告诉它“往哪写、写什么”，剩下的刷新、驱动、时序全由它搞定。这对主控来说简直是减负神器。
五、实际性能如何？和其他接口比到底强在哪？
我们不妨做个横向对比，看看4线SPI处在什么位置：
| 特性 | 并行8位 | I²C | 4线SPI |
|---|---|---|---|
| 使用IO数 | ≥10 | 2 | 4 |
| 最大速率 | ~20MB/s | ~0.4MB/s | ~10MB/s |
| 是否需要地址寻址 | 是 | 是 | 否（靠状态机） |
| 支持DMA | 是 | 否 | 可支持 |
| 开发难度 | 高 | 低 | 中 |
| PCB布线复杂度 | 高 | 极低 | 低 |
可以看到：
-I²C最省IO，但太慢，刷个图都要好几秒；
-并行接口最快，但吃IO，适合FPGA或高性能MPU；
-4线SPI正好居中：速度快、占用少、控制灵活，特别适合STM32、ESP32这类主流MCU。
更重要的是，配合DMA使用时，甚至可以在不占用CPU的情况下批量刷图，极大提升系统效率。
六、代码长什么样？教你写出第一个SPI写函数
下面是基于STM32 HAL库的一个典型实现：
// 写命令 void LCD_WriteCommand(uint8_t cmd) { HAL_GPIO_WritePin(LCD_DC_GPIO_Port, LCD_DC_Pin, GPIO_PIN_RESET); // DC=0 HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); // CS=0 HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100); HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); // CS=1 } // 写数据 void LCD_WriteData(uint8_t data) { HAL_GPIO_WritePin(LCD_DC_GPIO_Port, LCD_DC_Pin, GPIO_PIN_SET); // DC=1 HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &data, 1, 100); HAL_GPIO_WritePin(LCD_CS_GPIO_Port, LCD_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); }就这么简单？没错。只要把握住两个要点：
1.每次操作前必须正确设置DC；
2.CS要在传输前后做好升降沿。
后续你就可以组合调用它们进行初始化：
LCD_WriteCommand(0x11); // 退出睡眠模式 HAL_Delay(120); LCD_WriteCommand(0x29); // 开启显示是不是有种“原来如此”的感觉？
七、那些年踩过的坑：常见问题排查指南
❌ 问题1：屏幕乱码、花屏、闪屏
可能原因：SPI模式配置错误！
SPI有四种模式（CPOL和CPHA组合），而不同LCD控制器要求不同。例如：
- ILI9341 常用 Mode 0：CPOL=0（空闲低），CPHA=0（上升沿采样）
- ST7735 有些型号要用 Mode 3：CPOL=1，CPHA=1
🔧 解法：查数据手册确认SPI mode，或尝试四种组合调试。
❌ 问题2：只能执行命令，无法显示图像
现象：初始化成功，但写字没反应
根源：DC信号未切换！数据被当作命令丢弃。
🔧 解法：
- 检查DC引脚是否接错；
- 在关键位置加调试打印或逻辑分析仪抓波形；
- 确保LCD_WriteData()中确实设置了DC=1。
❌ 问题3：完全无响应，像没通电一样
排查思路：
- CS是否默认上拉？是否由MCU控制？
- 电源电压是否匹配？5V MCU接3.3V LCD需电平转换；
- 复位序列是否完整？有些屏必须先拉低RST再初始化；
- 初始化命令是否齐全？删减关键命令会导致死锁。
八、设计建议：让系统更稳定可靠的7个技巧
电源去耦不可少
在LCD的VCC引脚附近放置0.1μF陶瓷电容，抑制高频噪声。信号线上拉电阻
若CS、DC为开漏输出，建议加上4.7kΩ上拉电阻，防止误触发。走线尽量短且平行
SCLK与MOSI保持等长，避免串扰，尤其高速下更为重要。注意电压兼容性
5V系统驱动3.3V屏务必加电平转换芯片（如TXB0108、MAX3378），否则可能损坏模块。严格遵循初始化序列
不同厂商略有差异，最好采用官方推荐的初始化代码，不要随意删改。善用局部刷新
修改部分区域时，先设置地址窗口（Column Address Set + Page Address Set），再写数据，避免全屏重绘。封装抽象层便于移植
将底层SPI读写封装成独立函数，未来更换平台（如从STM32迁移到ESP-IDF）时只需重写驱动层。
九、不止于显示：现代嵌入式GUI的起点
掌握4线SPI驱动LCD，远不只是点亮一块屏那么简单。
随着轻量级图形库的发展，比如：
-LVGL：功能强大，支持触摸、动画、主题；
-TFT_eSPI + GUIslice：专为ESP32优化，资源占用低；
-LittlevGL + TouchGFX Lite：可在Cortex-M上运行精美界面；
你完全可以用一颗STM32F1，在没有操作系统的情况下，构建出带有按钮、滑动条、图表的完整用户界面。
而这套系统的起点，正是这看似简单的4根线。
如果你正在做物联网终端、智能仪表、便携设备，或是想为你的DIY项目增添视觉表现力，那么4线SPI驱动LCD的技术，值得你花时间深入掌握。
它不炫技，却足够实用；它不复杂，却蕴含巧思。
用最少的资源，实现最大的价值——这正是嵌入式工程的魅力所在。
💬 如果你在实际项目中遇到SPI-LCD相关难题，欢迎留言交流。我们可以一起分析波形、检查时序、优化代码，把每一块屏都点亮得清清楚楚。