【花雕学编程】Arduino动手做（249）--GC9A01终结者之眼动画

  【Arduino】189种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
  实验二百四十九：1.28寸圆形彩色TFT显示屏 高清IPS 模块 240*240 SPI接口GC9A01驱动
  项目之一百四十三：ESP32+GC9A01终结者之眼动画

实验开源代码

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  【Arduino】189种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
  实验二百四十九：1.28寸圆形彩色TFT显示屏 高清IPS 模块 240*240 SPI接口GC9A01驱动
  项目之一百四十三：ESP32+GC9A01终结者之眼动画
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//       GC9A01---------- ESP32
//       RST ------------ NC（复位引脚，此处未连接）
//       CS ------------- D4（片选引脚，连接到ESP32的D4引脚）
//       DC ------------- D2（数据/命令选择引脚，连接到ESP32的D2引脚）
//       SDA ------------ D23 (green)（主数据输出引脚，连接到ESP32的D23引脚，绿色线）
//       SCL ------------ D18 (yellow)（时钟信号引脚，连接到ESP32的D18引脚，黄色线）
//       GND ------------ GND（接地引脚，连接到ESP32的接地端）
//       VCC -------------3V3（电源引脚，连接到ESP32的3.3V电源）

// 显示的眼睛的大小取决于屏幕的尺寸和分辨率。
// 眼睛图像的宽度固定为 128 像素。在人类的生理结构中，
// 睑裂 (睁开的眼睛的宽度) 大约是 30 毫米。因此，
// 低分辨率、大像素尺寸的显示屏最适合以真实的比例
// 显示眼睛的图像。请注意，显示器制造商通常会标注对角线尺寸，
// 因此一个 128x128 的 1.7 英寸显示屏或 128x160 的 2 英寸显示屏
// 在尺寸上是比较合适的。

// 眼睛的配置设置，包括眼睛的样式、显示器的数量、
// 片选引脚以及眼睛在屏幕上的 X 轴偏移量，都可以在草图的
// "config.h" 选项卡中进行定义。

// 通过在 ESP32 和 STM32 处理器上使用 DMA (直接内存访问，仅适用于 SPI 显示屏)，
// 可以显著提高程序的性能 (以每秒传输的帧数，即 fps 来衡量)。
// 应该使用显示器所支持的尽可能高的 SPI 时钟速率。
// 最小推荐速率为 27MHz，一些显示器甚至可以在 40-80MHz 的更高频率下稳定运行。

// 下表列出了在不同处理器上，使用单只默认眼睛 (defaultEye) 时的性能表现：
//                                 无 DMA    有 DMA
// ESP8266 (160MHz CPU) 40MHz SPI   36 fps
// ESP32 27MHz SPI                 53 fps     85 fps
// ESP32 40MHz SPI                 67 fps    102 fps
// ESP32 80MHz SPI                 82 fps    116 fps // 注意：很少有显示器能在 80MHz 下稳定工作
// STM32F401 55MHz SPI               44 fps     90 fps
// STM32F446 55MHz SPI               83 fps    155 fps
// STM32F767 55MHz SPI              136 fps    197 fps

// 当接口是 SPI 时，DMA 可以与 RP2040、STM32 和 ESP32 处理器一起使用。
// 要启用 DMA，请取消注释下一行：
//#define USE_DMA

// 加载 TFT_eSPI 库，用于控制 TFT LCD
#include <SPI.h>      // 包含 Arduino 的 SPI 库
#include <TFT_eSPI.h> // 包含 TFT_eSPI 库
TFT_eSPI tft;         // 创建一个 TFT_eSPI 类的实例，用于控制显示屏

// 在眼睛的渲染过程中，会使用一个像素缓冲区来存储即将绘制的数据。
// BUFFER_SIZE 定义了这个缓冲区的大小，128 到 1024 似乎是一个最佳的范围。
#define BUFFER_SIZE 240

#ifdef USE_DMA
  #define BUFFERS 2     // 如果启用了 DMA，则使用 2 个缓冲区进行乒乓操作，提高效率
#else
  #define BUFFERS 1     // 如果没有启用 DMA，则只需要 1 个缓冲区
#endif

uint16_t pbuffer[BUFFERS][BUFFER_SIZE]; // 声明一个二维数组作为像素渲染缓冲区，每个缓冲区可以存储 BUFFER_SIZE 个 16 位颜色值
bool      dmaBuf   = 0;                  // 一个布尔变量，用于选择当前正在使用的 DMA 缓冲区 (在双缓冲情况下)

// 这个结构体 (struct) 在 config.h 文件中被填充数据。
typedef struct {                 // 定义一个名为 eyeInfo_t 的结构体，用于存储每个眼睛的配置信息
  int8_t  select;               // 用于连接到每个眼睛的屏幕的片选 (Chip Select, CS) 引脚编号 (int8_t 是 8 位有符号整数)
  int8_t  wink;                 // 连接到每个眼睛的“眨眼”按钮的引脚编号 (int8_t)。如果某个眼睛没有眨眼按钮，则设置为 -1。
  uint8_t rotation;             // 该眼睛所连接的显示屏的旋转角度 (0-3)。uint8_t 是 8 位无符号整数。
  int16_t xposition;            // 眼睛图像在屏幕上的 X 轴位置偏移量 (int16_t 是 16 位有符号整数)。
} eyeInfo_t;

#include "config.h"             // ****** 所有的配置都在这个文件中完成 ******

extern void user_setup(void); // 声明在 user*.cpp 文件中定义的用户自定义初始化函数
extern void user_loop(void);  // 声明在 user*.cpp 文件中定义的用户自定义循环函数

#define SCREEN_X_START 0
#define SCREEN_X_END    SCREEN_WIDTH    // 定义屏幕上眼睛图像的 X 轴范围的起始和结束。SCREEN_WIDTH 应该在 config.h 中定义。
#define SCREEN_Y_START 0
#define SCREEN_Y_END    SCREEN_HEIGHT   // 定义屏幕上眼睛图像的 Y 轴范围的起始和结束。SCREEN_HEIGHT 应该在 config.h 中定义。

// 使用一个简单的状态机来控制眼睛的眨眼 (blink) 和单眼眨眼 (wink) 动作：
#define NOBLINK 0         // 定义一个状态：当前没有进行任何眨眼动作
#define ENBLINK 1         // 定义一个状态：眼睑当前正在闭合 (Engaging Blink)
#define DEBLINK 2         // 定义一个状态：眼睑当前正在张开 (Disengaging Blink)
typedef struct {                 // 定义一个名为 eyeBlink 的结构体，用于存储每个眼睛的眨眼状态信息
  uint8_t  state;         // 当前的眨眼状态 (NOBLINK, ENBLINK, DEBLINK)
  uint32_t duration;      // 当前眨眼状态的持续时间 (以微秒为单位)。uint32_t 是 32 位无符号整数。
  uint32_t startTime;     // 上次眨眼状态发生改变的时间 (以微秒为单位)。
} eyeBlink;

struct {                     // 定义一个匿名结构体，用于存储每个眼睛的特定信息。eye 数组的每个元素都是这个结构体。
  int16_t    tft_cs;         // 连接到每个显示屏的片选 (Chip Select) 引脚编号
  eyeBlink   blink;          // 一个 eyeBlink 结构体，存储该眼睛的当前眨眼状态
  int16_t    xposition;     // 该眼睛的图像在屏幕上的 X 轴位置
} eye[NUM_EYES];              // 声明一个名为 eye 的数组，其大小由 NUM_EYES (在 config.h 中定义) 决定。每个元素存储一只眼睛的信息。

uint32_t startTime;     // 用于记录程序启动或上次帧率计算的时间，以便计算每秒帧数 (FPS)。

// 初始化 -- 在启动时运行一次 --------------------------------------------------
void setup(void) {
  Serial.begin(115200); // 初始化串口通信，波特率为 115200
  //while (!Serial);    // 如果需要等待串口连接，则取消注释此行
  Serial.println("Starting"); // 通过串口打印 "Starting"

#if defined(DISPLAY_BACKLIGHT) && (DISPLAY_BACKLIGHT >= 0)
  // 如果定义了 DISPLAY_BACKLIGHT 并且其值大于等于 0 (表示使用了背光控制引脚)
  Serial.println("Backlight turned off"); // 通过串口打印 "Backlight turned off"
  pinMode(DISPLAY_BACKLIGHT, OUTPUT);  // 将背光控制引脚设置为输出模式
  digitalWrite(DISPLAY_BACKLIGHT, LOW); // 将背光引脚拉低，通常表示关闭背光
#endif

  // 调用用户在 user_setup() 函数中定义的任何附加初始化功能
  user_setup();

  // 初始化眼睛。这个函数可能会设置所有片选引脚为低电平，以便后续的 tft.init() 可以正常工作。
  initEyes(); // 这个函数应该在其他地方定义 (例如在 eye_functions.cpp 中)

  // 初始化 TFT 显示屏
  Serial.println("Initialising displays"); // 通过串口打印 "Initialising displays"
  tft.init();                               // 调用 TFT_eSPI 库的初始化函数

#ifdef USE_DMA
  tft.initDMA(); // 如果定义了 USE_DMA，则初始化 DMA 功能
#endif

  // 拉高片选引脚，以便可以单独配置每个显示屏
  digitalWrite(eye[0].tft_cs, HIGH); // 将第一个眼睛的片选引脚拉高
  if (NUM_EYES > 1) digitalWrite(eye[1].tft_cs, HIGH); // 如果有第二个眼睛，则将其片选引脚也拉高

  // 遍历每个眼睛
  for (uint8_t e = 0; e < NUM_EYES; e++) {
    digitalWrite(eye[e].tft_cs, LOW);     // 将当前眼睛的片选引脚拉低，选中该显示屏
    tft.setRotation(eyeInfo[e].rotation); // 设置当前显示屏的旋转角度，该角度从 eyeInfo 数组中获取
    tft.fillScreen(TFT_BLACK);          // 使用黑色填充当前显示屏
    digitalWrite(eye[e].tft_cs, HIGH);    // 将当前眼睛的片选引脚拉高，取消选中该显示屏
  }

#if defined(DISPLAY_BACKLIGHT) && (DISPLAY_BACKLIGHT >= 0)
  Serial.println("Backlight now on!"); // 通过串口打印 "Backlight now on!"
  analogWrite(DISPLAY_BACKLIGHT, BACKLIGHT_MAX); // 使用模拟写入设置背光亮度为最大值
#endif

  startTime = millis(); // 记录程序启动时的毫秒数，用于后续的帧率计算
}

// 主循环 -- 在 setup() 函数执行完毕后持续运行 ----------------------------
void loop() {
  updateEye(); // 调用 updateEye() 函数来更新眼睛的显示。这个函数应该在其他地方定义 (例如在 eye_functions.cpp 中)。
}
复制代码

代码解读：
这段代码是 "UncannyEyes" 项目的一个版本，它使用 ESP32 或其他兼容的微控制器来驱动 TFT LCD 屏幕，模拟逼真的眼睛动画。以下是代码的简单解读：

1、核心功能:
• 模拟眼睛: 代码旨在在 TFT 屏幕上绘制和动画显示一只或两只眼睛。
• 可配置: 眼睛的外观、显示器的配置（数量、连接引脚、旋转方向、位置偏移）等都通过 config.h 文件进行设置。
• 性能优化: 提到了使用 DMA (直接内存访问) 来提高 SPI 通信速度，从而提升动画的帧率 (FPS)。
• 眨眼控制: 支持自动眨眼 (AUTOBLINK)，也可以通过按钮手动控制眨眼 (BLINK_PIN, LH_WINK_PIN, RH_WINK_PIN)。
• 输入控制 (可选): 注释部分提到了可以使用模拟摇杆 (JOYSTICK_X_PIN, JOYSTICK_Y_PIN) 或光线传感器 (LIGHT_PIN) 来控制眼睛的运动和瞳孔大小。
• 眼睑追踪 (可选): 如果定义了 TRACKING，眼睑的运动会跟随瞳孔的运动。

2、主要组成部分:
• #include: 引入了必要的库，包括 SPI 通信库和 TFT_eSPI 库，后者是专门为 ESP32 等芯片优化的 TFT LCD 控制库。
• BUFFER_SIZE 和 pbuffer: 定义了一个像素缓冲区，用于在绘制眼睛图像时临时存储像素数据，提高效率。
• eyeInfo_t 结构体: 用于存储每个眼睛的配置信息，包括连接的 TFT 的片选引脚、眨眼按钮引脚、屏幕旋转角度和在屏幕上的 X 轴位置。这些信息从 config.h 文件加载。
• eyeBlink 结构体: 用于管理眼睛的眨眼状态，包括当前状态 (正在闭合、张开、不眨眼)、眨眼持续时间和上次状态改变的时间。
• eye 数组: 存储了 eyeInfo_t 和 eyeBlink 结构体的实例，每个元素对应一只眼睛。
• setup() 函数: 在程序启动时运行一次，用于初始化串口、背光、用户自定义功能 (user_setup())、眼睛 (initEyes()) 和 TFT 显示屏 (tft.init())。它还会根据 config.h 中的设置配置每个眼睛连接的 TFT 屏幕的旋转和初始显示。
• loop() 函数: 在 setup() 之后持续运行，主要调用 updateEye() 函数来更新眼睛的动画。这个 updateEye() 函数的实际实现应该在其他地方 (例如 eye_functions.cpp)。

简单来说，这段代码是一个框架，用于在连接到 ESP32 或类似控制器的 TFT LCD 屏幕上创建生动的眼睛动画。它的核心是通过配置信息和状态管理，控制屏幕上像素的颜色变化，从而模拟眼睛的运动、眨眼等行为。具体的眼睛外观、动画逻辑和控制方式在 config.h 和其他源文件中实现。

实验场景图  动态图