【英飞凌PSoC 6 RTT开发板试用】使用软件和硬件I2C点亮OLED屏，帧率从2FPS提升到51FPS

码工杂记 2023-07-11 1809

码工杂记

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描述

本文将会分别介绍——使用软件I2C和硬件I2C在PSoC开发板上点亮OLED屏，并进行屏幕刷新率对比测试，最后还会在硬件I2C的基础上继续优化屏幕刷新率。本文实验使用的OLED屏尺寸为0.96寸，分辨率为128x64，驱动芯片为SSD1306。本文使用的开发环境为RT-Thread Studio，设备上运行的是RT-Thread实时系统。本文主旨在于，介绍如何在PSoC开发板上使用软件I2C和硬件硬件I2C驱动外设，以及对于屏幕刷新率优化的一些思路。

如需离线阅读，可以下载本文的完整pdf版本：

*附件：【英飞凌PSoC 6 RTT开发板试用】使用软件和硬件I2C点亮OLED屏，帧率从2FPS提升到51 53b89082947a409aaa80d410ab5527ca.pdf

一、准备工作

开始之前，需要准备实验所需的硬件和软件，接下来分别介绍。

1.1 硬件准备

本次实验需要用到的硬件有：

  • RTT&英飞凌PSoC6评估板
  • 0.96寸OLED屏（驱动芯片SSD1306）
  • 杜邦线4根
  • USB Type-C数据线
  • 个人电脑（Windows 10）

1.2 软件准备

本次实验需要使用的软件主要为：

  • RT-Thread Studio
  • MobaXterm（其他串口调试工具也可以）

假设你已经成功在电脑上安装了以上这些软件。

1.3 硬件连接

硬件连接分为两部分，一部分是PC和开发板，通过USB Type-C线连接；这个没啥难度，不做过多介绍；需要注意的是，开发板一端接DAP口；否则无法正常下载程序。

另外一部分是，开发板和OLED屏幕之间的连接，具体如下表所示：

OLED屏引脚 开发板引脚
SDA SDA
SCL SCL
GND GND
VCC 3V3

开发板和OLED屏幕之间的硬件连接，如下图所示：

OLED

二、原理分析

这么连接之后，如果主控芯片使用软件I2C驱动OLED屏，那么什么限制，对应管脚只需要使用GPIO模拟I2C时序即可。如果想要让主控芯片使用硬件I2C驱动OLED屏，则需要检查一下主控芯片对应引脚可以设置为硬件I2C功能，接下来即为检查的过程。

2.1 开发板原理图

首先，检查开发板原理图的Arduino接口部分：

OLED

这里只能看到标号，看不到主控芯片的引脚名称。

所以，还需要继续搜索这两个引脚的标号，找到主控芯片对应的引脚标号：

OLED

对照这两处可以知道——Arduino接口I2C引脚和主控芯片直接的连接关系为：

  • SCL：P8.0
  • SDA：P8.1

2.2 芯片数据手册

《PSoC 6 MCU: CY8C62x8, CY8C62xA Datasheet》文档的 Pinouts 章节，Table 8. Multiple Alternate Functions 引脚功能服用表，可以查到P8.0和P8.1的功能有：

OLED

可以看到，有scb[4].i2c_scl和scb[4].i2c_sda功能。

也就是说，P8.0和P8.1可以设置为硬件I2C功能。

三、软件I2C驱动OLED

接下来，将使用RT-Thread Studio创建项目，并通过添加软件包和修改配置的方式，实现使用软件I2C驱动OLED屏幕。

3.1 创建RT-Thread项目

在RT-Thread Studio中，打开“文件”→“新建”→”RT-Thread项目”菜单，如下图所示：

OLED

在弹出的创建项目界面中，Project name中填入psoc6_oled，选中基于开发板的项目，如下图所示：

OLED

点击“完成”，即可创建名为psoc6_oled的项目。

3.2 添加ssd1306软件包

创建项目后，双击项目资源管理器视图中，项目下方的“RT-Thread Settings”，主编辑区如下图所示：

OLED

点击其中的“添加软件包”，弹出的软件包搜索界面，如下图所示：

OLED

按照图中标注的操作顺序，即可将ssd1306软件包添加到当前项目。

添加完成后，主编辑区如下图所示：

OLED

此时，按Ctrl+S快捷键，保存对项目配置的修改。如果网络通常，则会在控制台窗口中看到ssd1306软件包正常下载的日志：

OLED

这样，ssd1306软件包就成功添加到项目中了，位于packages子目录下：

OLED

3.3 配置软件I2C和ssd1306软件包

接下来，在RT-Thread Studio主编辑器，点击详细配置按钮，按钮位置如下图所示：

OLED

主编辑器将会显示详细配置：

OLED

切换到“硬件”标签页，找到“Enable Software I2C”选项，并打开该选项，如下图所示：

OLED

接着，打开“使能I2C1 BUS”，并将scl和sda中分别改为64和65，如下图所示：

OLED

然后，在搜索框输入ssd1306，弹出悬浮菜单后，单击该悬浮菜单，如下图所示：

OLED

勾选“Enable debug log output”和“Enable ssd1306 sample”，如下图所示：

OLED

最后，按Ctrl+S保存对所有配置项的修改。

3.4 编译和下载程序

首先，点击工具栏的锤子图标，或者按Ctrl+B快捷键，触发项目构建（全部编译）：

OLED

项目构建完成后，可以在控制台窗口看到生成了elf文件，以及预计Flash和RAM占用情况：

OLED

接着，点击工具栏上的下载图标，或者Ctrl+Alt+D快捷键，触发下载程序二进制文件到开发板上，如下图：

OLED

下载过程中以及下载完成后，控制台窗都可以看到日志输出：

OLED

PS：开始下载之前，需要确认开发板以及和PC正确连接了（开发板要连在DAP口上，并能够正常识别）。

3.5 运行和测试程序

为了方便在串口中进行命令控制，运行之前，需要先打开MobaXterm（或者其他串口调试工具）：

OLED

如上图所示，选中对应的COM号，串口参数设置为：

  • 波特率 115200
  • 数据位 8
  • 停止位 1
  • 校验 None
  • 流控 None

之后，点OK确认连接。

连接成功后，按开发板的复位键，可以看到串口连接中输出：

OLED

此时输入help命令并回车：

OLED

可以看到，有ssd1306_TestAll命令。

输入ssd1306_TestAll命令并回车，如无意外，将会看到OLED屏幕上已经有画面显示了：

OLED

但是此时的帧率较低，测试显示仅有2帧每秒：

OLED

四、硬件I2C驱动OLED

方便起见，接下来将不再创建新项目，而是在刚刚创建的RT-Thread Studio项目上进行修改，通过修改配置的方式，实现使用硬件I2C驱动OLED屏幕。

4.1 增加I2C4配置和代码

RT-Thread Studio默认创建的项目不支持I2C4，不能实现硬件I2C驱动OLED。因此，需要先添加I2C4配置和代码，才能进行后续操作。

首先，修改 board/Kconfig 文件，在config BSP_USING_HW_I2C6之前添加如下代码行：

config BSP_USING_HW_I2C4
                bool "Enable I2C4 Bus (Arduino I2C)"
                default n
                if BSP_USING_HW_I2C4
                    comment "Notice: P8_0 -- > 64; P8_1 -- > 65"
                    config BSP_I2C4_SCL_PIN
                        int "i2c4 SCL pin number"
                        range 1 113
                        default 64
                    config BSP_I2C4_SDA_PIN
                        int "i2c4 SDA pin number"
                        range 1 113
                        default 65
                endif

接着，修改 libraries/HAL_Drivers/SConscript 文件，找到 src += ['drv_i2c.c'] 前一行，添加一个条件：

if GetDepend('BSP_USING_HW_I2C3') or GetDepend('BSP_USING_HW_I2C4') or GetDepend('BSP_USING_HW_I2C6'):

最后，修改 libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c 文件，具体修改内容为：

--- a/libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c
+++ b/libraries/HAL_Drivers/drv_i2c.c
@@ -11,7 +11,7 @@
 #include "board.h"

 #if defined(RT_USING_I2C)
-#if defined(BSP_USING_HW_I2C3) || defined(BSP_USING_HW_I2C6)
+#if defined(BSP_USING_HW_I2C3) || defined(BSP_USING_HW_I2C4) || defined(BSP_USING_HW_I2C6)
 #include 

 #ifndef I2C3_CONFIG
@@ -22,7 +22,16 @@
         .sda_pin = BSP_I2C3_SDA_PIN, \\\\\\\\
     }
 #endif /* I2C3_CONFIG */
-#endif
+
+#ifndef I2C4_CONFIG
+#define I2C4_CONFIG                  \\\\\\\\
+    {                                \\\\\\\\
+        .name = "i2c4",              \\\\\\\\
+        .scl_pin = BSP_I2C4_SCL_PIN, \\\\\\\\
+        .sda_pin = BSP_I2C4_SDA_PIN, \\\\\\\\
+    }
+#endif /* I2C4_CONFIG */
+
 #ifndef I2C6_CONFIG
 #define I2C6_CONFIG                  \\\\\\\\
     {                                \\\\\\\\
@@ -32,11 +41,16 @@
     }
 #endif /* I2C6_CONFIG */

+#endif /* defined(BSP_USING_I2C1) || defined(BSP_USING_I2C2) */
+
 enum
 {
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C3
     I2C3_INDEX,
 #endif
+#ifdef BSP_USING_HW_I2C4
+    I2C4_INDEX,
+#endif
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C6
     I2C6_INDEX,
 #endif
@@ -63,6 +77,10 @@ static struct ifx_i2c_config i2c_config[] =
         I2C3_CONFIG,
 #endif

+#ifdef BSP_USING_HW_I2C4
+        I2C4_CONFIG,
+#endif
+
 #ifdef BSP_USING_HW_I2C6
         I2C6_CONFIG,
 #endif
@@ -145,8 +163,7 @@ void HAL_I2C_Init(struct ifx_i2c *obj)

 int rt_hw_i2c_init(void)
 {
-    rt_err_t result;
-    cyhal_i2c_t mI2C;
+    rt_err_t result = RT_EOK;

     for (int i = 0; i < sizeof(i2c_config) / sizeof(i2c_config[0]); i++)
     {
@@ -157,8 +174,6 @@ int rt_hw_i2c_init(void)
         i2c_objs[i].mI2C_cfg.address = 0;
         i2c_objs[i].mI2C_cfg.frequencyhal_hz = (400000UL);

-        i2c_objs[i].mI2C = mI2C;
-
         i2c_objs[i].i2c_bus.ops = &i2c_ops;

         HAL_I2C_Init(&i2c_objs[i]);
@@ -171,4 +186,4 @@ int rt_hw_i2c_init(void)
 }
 INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_i2c_init);

-#endif /* defined(BSP_USING_I2C1) || defined(BSP_USING_I2C2) */
+#endif /* RT_USING_I2C */

4.1 修改I2C和ssd1306软件包配置

首先，打开RT-Thread Settings的详细配置，切换到硬件标签页，关闭“Enable Software I2C Bus”配置项，如下图所示：

OLED

接着，打开“Enable Hardware I2C Bus”配置项，再打开其中的“Enable I2C4 Bus (Arduino I2C)”配置项，如下图所示：

OLED

最后，再次搜索ssd1306，点击悬浮菜单，跳回到ssd1306配置，修改I2C bus name为 i2c4 ，如下图所示：

OLED

完成修改后，按Ctrl+S保存配置。

4.2 编译、下载、运行

重新Ctrl+B编译，Ctrl+Alt+D下载，按RESET键复位之后，重新运行 ssd1306_TestAll 命令，可以看到，OLED屏幕成功显示画面了。

并且，这一次测得的帧率为7fps，如下图所示：

OLED

这次显示画面快了很多，之前只有2fps，现在已经7fps了；但还是不够高，还可以继续优化。

接下来继续优化，提高帧率，提高帧率的思路：

  • 提高I2C时钟信号频率
  • 减少一帧画面发送数据量

4.3 提高I2C时钟信号频率

接下来，分别从这两方面尝试提升帧率。

首先是提升I2C频率，默认的速度写在drv_i2c.c代码里面：

i2c_objs[i].mI2C_cfg.frequencyhal_hz = (400000UL); // 400K

查阅芯片手册，可以知道CY8C624ABZI芯片I2C最高支持1Mbps：

OLED

将drv_i2c.c里面的默认I2C频率改为1M之后，测试显示的帧率为12fps：

OLED

4.5 减少一帧画面发送数据量

查看ssd1306.c文件，发现可以优化的代码：

// Send data
void ssd1306_WriteData(uint8_t* buffer, size_t buff_size) 
{
#if PKG_USING_SSD1306_HW_I2C
    HAL_I2C_Mem_Write(&SSD1306_I2C_PORT, SSD1306_I2C_ADDR, 0x40, 1, buffer, buff_size, HAL_MAX_DELAY);
#else
   for (int i = 0; i < buff_size; i++)
   {
       uint8_t buf[2] = {SSD1306_CTRL_DATA, buffer[i]};
       rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, buf, 2);
   }
#endif
}

这段代码中，PKG_USING_SSD1306_HW_I2C 宏内部的分支是STM32的代码，不用关系，主要看下面的分支；

下面的分支，使用了一个for循环，调用rt_i2c_master_send接口，每次却只发送两个字节，存在重复的大量的SSD1306_CTRL_DATA字节。

查询SSD1306数据手册，可以知道，它是支持在一个数据标记字节之后，连续发送数据的：

相应的可以优化为：

// Send data
void ssd1306_WriteData(uint8_t* buffer, size_t buff_size) 
{
    uint32_t len = buff_size + 1;
    uint8_t* data = rt_malloc(len); // 申请一个更大的缓冲
    RT_ASSERT(data);

    // 准备数据
    data[0] = SSD1306_CTRL_DATA;
    rt_memcpy(&data[1], buffer, buff_size);

    // 发送
    rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, data, len);

    rt_free(data); // 释放
}

这段代码修改之后，再次运行，测得帧率为45fps：

OLED

更进一步检查，发现还有优化空间：

void ssd1306_UpdateScreen(void) 
{
    // Write data to each page of RAM. Number of pages
    // depends on the screen height:
    //
    //  * 32px   ==  4 pages
    //  * 64px   ==  8 pages
    //  * 128px  ==  16 pages
    for(uint8_t i = 0; i < SSD1306_HEIGHT/8; i++) 
    {
        ssd1306_WriteCommand(0xB0 + i); // Set the current RAM page address.
        ssd1306_WriteCommand(0x00);
        ssd1306_WriteCommand(0x10);
        ssd1306_WriteData(&SSD1306_Buffer[SSD1306_WIDTH*i],SSD1306_WIDTH);
    }
}

这个函数里面，从注释可以知道，对于128x64分辨率的屏，会分为8页进行发送；每个页面发送开始的时候，会调用三次ssd1306_WriteCommand函数。

实际上可以不需要重复调用ssd1306_WriteCommand函数：

void ssd1306_UpdateScreen(void) 
{
    uint8_t cmd[] = {
        0X21,   // 设置列起始和结束地址
        0X00,   // 列起始地址 0
        0X7F,   // 列终止地址 127
        0X22,   // 设置页起始和结束地址
        0X00,   // 页起始地址 0
        0X07,   // 页终止地址 7
    };
    uint32_t count = 0;
    uint8_t data[2 * sizeof(cmd) + 1 + SSD1306_BUFFER_SIZE ] = {};

    // copy cmd
    for (uint32_t i = 0; i < sizeof(cmd)/sizeof(cmd[0]); i++) {
        data[count++] = SSD1306_CTRL_CMD | SSD1306_MASK_CONT;
        data[count++] = cmd[i];
    }

    // copy frame data
    data[count++] = SSD1306_CTRL_DATA;
    memcpy(&data[count], SSD1306_Buffer, sizeof(SSD1306_Buffer));
    count += sizeof(SSD1306_Buffer);

    // send to i2c bus
    rt_i2c_master_send(i2c_bus, SSD1306_I2C_ADDR, RT_I2C_WR, data, count);
}

OLED

非常快了，已经是最初2fps的25倍。

最终达到的帧率并没有达到OLED屏幕的物理极限，可能还存在一些优化空间，感兴趣的读者还可以在此基础上继续探索。

文章就到这里，感谢阅读，下次再会~

五、参考链接

  1. RTT PSoC开发板原理图：IFX-PSoC6-RT-Thread-sch.pdf (gitee.com)
  2. CY8C624A 芯片数据手册：Infineon-PSOC_6_MCU_CY8C62X8_CY8C62XA-DataSheet-v18_00-EN.pdf
  3. CY8C624A 架构参考手册： Infineon-PSoC_6_MCU_CY8C6xx8_CY8C6xxA_Architecture_Technical_Reference_Manual_(TRM)-AdditionalTechnicalInformation-v08_00-EN.pdf
  4. CY8C624A 寄存器参考手册： Infineon-PSoC_6_MCU_CY8C62x8_CY8C62xA_Registers_Technical_Reference_Manual-AdditionalTechnicalInformation-v06_00-EN.pdf
  5. Cypress HAL接口参考： Redirecting to Infineon GitHub (cypresssemiconductorco.github.io)
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