简介

本项目为RT-Thread旗下开源硬件ART-Pi的扩展板。为ART-Pi扩展了VGA和USB接口。可以用来连接VGA显示器和键盘，将ART-Pi打造成一台类似“PC”的设备。或者作为简单的GUI开发平台。

特性

• 支持标准VGA接口（D-Sub），由LTDC控制器驱动
• 最高支持XGA（1024x768）的分辨率
• 支持DDC协议，使用硬件I2C控制器，可用来提供EDID的支持
• 专用视频DAC，支持最高1600万色（16.7M色，RGB888）
• D-Sub上具有专有ESD保护，防止静电损伤
• 支持USB 2.0 Full-Speed
• USB接口上带有专用ESD防护和过流保护，以及一个过流保护指示灯
• 一个额外的电源接口，可以为扩展板和ART-Pi供电，输入电压为7~12V
• 通孔型扩展板，可继续连接其他扩展板模块

原理详解

VGA

首先，强烈推荐大家去看这个视频，链接：这可能是世界上最差的显卡 ，这个视频中作者在面包板上制作了一个可以输出VGA信号的“显卡”。作者对VGA信号的解释非常简单易懂，适合从来没有了解过VGA的朋友观看。

VGA的信号中有控制信号（同步信号）和数据信号，对于我们这个项目而言，我们首先要注意的是VGA控制信号的时序：

这张时序图也解释了VGA的具体工作方式：显示的内容是逐行发送的，在一行的内容发送完毕后，通过一个名为Horizontal Sync Pulse（HSP）的脉冲来通知显示设备当前行的内容传输完毕，然后传输下一行。如此循环，直到整屏的内容传输完毕后发送一个Vertical Sync Pulse(VSP)脉冲，至此一帧传输完毕。然后继续传输下一帧。

VGA是纯模拟信号，它是为CRT显示器准备的，显示设备完全是通过HSP和VSP两个脉冲的长度以及脉冲之间的间隔来确定信号的格式。因为没有数字通讯的过程，所以对时序的准确度要求较高。而且由于显示器的限制，事实上我们并不能自由决定HSP和VSP的信号长度和间隔，下面则是一些常用的信号格式：

知道了信号的格式，我们该如何产生精确的信号时序呢。可能有同学会说使用Timer定时器就可以。这的确也是一种方法， 但是实现起来比较麻烦。这里我们不用它而是使用ART-Pi的主控STM32H750XB的一个外设——LTDC来实现VGA信号的生成。

LTDC全称是“LCD-TFT display controller”即LCD显示设备控制器。故名思意，LTDC是用来控制LCD液晶显示器的外设，它有两种工作模式：DE模式和HV模式，区别是DE模式仅使用DE信号进行帧同步，而HV模式则需要使用HSYNC和VSYNC两个信号来进行数据帧同步。

看过VGA的信号工作原理后，相信你一定会对HV模式的HSYNC和VSYNC比较眼熟。事实上，LTDC的HV模式的工作原理和VGA信号的原理是高度一致的。只是LTDC传输的是数字信号而已。这也是我们使用LTDC产生VGA信号的理论基础。

我们来看LTDC的信号时序图（HV模式）：

咋看一下似乎跟VGA信号的时序完全不同，其实仔细分析就会发现。其工作原理跟VGA的工作原理是完全一致的，只是这张图中把SYNC PULSE画到了前面，所以只是看起来有些不一致。

所以我们只需要将LTDC控制器的参数时序调整到与期望的VGA信号时序一致即可生成准确的VGA同步信号。接下来的问题是，我们使用那个信号格式？回到那张常用的VGA信号格式表，可以看到，大部分的信号的频率都是非整数倍，而生成非整数倍的信号是非常费劲的一件事，需要我们在STM32的时钟配置上做出较大的妥协才行。所以，最适合的信号就是这个：

40MHz的信号是一个非常容易实现的整数。然后800x600@60Hz的分辨率和刷新率也都比较合适。

然后我们可以查看这个信号格式的具体参数：

我们需要通过这些参数我们来配置STM32H750的LTDC控制器。这里推荐通过CubeMX配置，方便而且不容易出错：

LTDC的其他的配置与正常使用LCD屏时的配置相同，此处不再赘述。

控制信号满足要求了，接下来是显示内容的发送。LTDC发送的是数字信号，而VGA显示设备需要接收模拟信号。显然，我们需要一个DAC(数模转换器)来完成这个工作。

我们先看VGA物理接口的标准：

其中的HSYNC和VSYNC是同步信号，我们刚刚已经介绍了它，现在要关注的是被标记为RGB的Pin1，2，3三个引脚，这三个引脚正是用来发送对应的颜色数据的信号引脚。

我们注意到，信号在终端和源端是有75Ω的阻抗的。在简易模型中，我们可以认为就是信号对地有一个75Ω的电阻。然后信号的电压范围是00.7V。也就是我们需要把RGB通道的数字信号都转为00.7V的模拟信号，并通过这三条线传输出去。

我们可以使用电阻分压网络来实现RGB565数字信号到模拟信号的转换。这种方式成本低廉但是显示效果不是很理想。为了画质的提升，我们可以使用ADV7123这颗专用的VGA信号DAC来实现数字信号到模拟信号的转换。

相对于使用电阻网络实现数模转换。ADV7123需要一个额外的像素时钟信号来进行数据的同步，我们直接使用LTDC控制器输出的像素时钟信号即可。然后就没什么好说的了，根据ADV7123的数据表进行电路的设计即可，最终电路如下：

由于需要连接至外部VGA设备，考虑到可能带来的ESD损伤，这里在DAC和最终的VGA输出端子之前，我们额外添加一颗专用ESD保护芯片

至此，我们完成了输出VGA信号的全部准备工作。

USB

为了连接USB键盘，我们需要一个USB Host接口。这块儿其实没有什么好说的，网上有大把的资料。电气连接也比较简单。

由于STM32H750的USB接口相对比较脆弱，这里为了防护可能出现的短路和静电击穿情况，额外添加了专用的ESD防护芯片和USB短路保护芯片。

电源

考虑到ART-Pi本体的供电可能不足，此处添加了一个额外的供电电路，带有反接保护和过流保护，可以直接接受6~12V的输入电压来为ART-Pi和扩展板供电。

PCB设计

PCB直接使用ART-Pi的外形。需要注意的是，由于ART-Pi的LTDC接口是通过FPC座引出的，所以，扩展板的LTDC接口会使用FPC软排线于ART-Pi本体连接

最终设计效果图：

软件说明

本扩展板的设计思路是为实现一个类似ColorMixmate的类PC设备提供硬件基础（当然你也可以完全不按照我的设计思路来使用这个扩展板）。目前的Demo中，我实现了一个小型控制台，移植了一个命令行库，并嵌入了一个小型的BASIC解释器。在命令行环境中，你可以使用我内置的一些命令来实现挂载SD卡，切换文件路径，查看图片以及播放视频的功能。在BASIC环境中，你可以使用BASIC语言来进行编码。我在BASIC环境中实现了对GPIO的控制，所以你也可以使用BASIC来实现一些基本的GPIO操作。

Demo的代码是在trueStudio中开发的，完全开源，请跳转至附件下载。

shell环境的内置命令操作说明

• help
  效果：列出所有支持的命令
• mount
  效果：挂载SD卡。注意，在使用任何文件操作之间，必须先执行mount命令挂载SD卡
• clear
  效果：清空屏幕
• ls
  效果：列出当前目录下所有的文件
• cd [path]
  效果：进入/退出目录。示例：进入test子目录：cd test；返回根目录： cd /；返回上一级目录：cd ..
• op [file]
  效果：打开文件，目前只支持查看JPEG图片和播放MJPEG编码的AVI格式视频。
  以数字开头的文件名需要用双引号括住
  示例：打开图片123.jpg（注意引号不能少）：op "123.jpg"；打开视频aerith.avi：op aerith.avi
  JPEG图片文件限制：不大于屏幕分辨率（800x600）
  AVI视频文件限制：MJPEG编码，无音频，25FPS以下，分辨率不高于800x600
• basic
  进入BASIC环境，注意，进入BASIC环境后不能返回命令行环境。

在命令行环境中添加自己的命令

首先，我们需要创建一个命令的入口函数，函数可以为以下类型中的一种：

main函数形式

使用此方式，一个函数定义的例子如下：

int func(int argc, char *agrv[])
{
    printf("%dparameter(s)\r\n", argc);
    for (char i = 1; i < argc; i++)
    {
        printf("%s\r\n", argv[i]);
    }
}

然后，在函数外部使用宏注册命令：

SHELL_EXPORT_CMD(SHELL_CMD_PERMISSION(0)|SHELL_CMD_TYPE(SHELL_TYPE_CMD_MAIN), testcmd, func, test);

第一个参数为固定形式，第二个参数为命令名称，即在命令行中执行的命令名称，第三个参数为命令入口函数名称，第四个参数为注释。

然后我们就可以在终端调用这个命令：

letter:/$ testcmd "hello world"
2 parameter(s)
hello world

普通C函数形式

使用此方式，shell会自动对参数进行转化处理，目前支持二进制，八进制，十进制，十六进制整形，字符，字符串的自动处理，例子如下：

int func(int i, char ch, char *str)
{
    printf("input int: %d, char: %c, string: %s\r\n", i, ch, str);
}
SHELL_EXPORT_CMD(SHELL_CMD_PERMISSION(0)|SHELL_CMD_TYPE(SHELL_TYPE_CMD_FUNC), func, func, test);

终端调用

letter:/$ func 666 'A' "hello world"
input int: 666, char: A, string: hello world

BASIC环境中的GPIO操作

当前Demo只实现了GPIO的输出功能。要操作某个GPIO之前，需要使用如下命令将对应的GPIO设置为输出模式：

PINMODE 2,1

第一个参数是GPIO的编号，第二个参数是模式，1表示输出模式。GPIO编号与真实的GPIO对应关系在host.c文件中被定义：

static const BASICPinDef supportedOutputPins[] = {
		{2,  GPIOH, GPIO_PIN_12},
		{3,  GPIOH, GPIO_PIN_11},
		{4,  GPIOA, GPIO_PIN_8},
		{17, GPIOA, GPIO_PIN_15},
		{22, GPIOH, GPIO_PIN_13},
		{10, GPIOI, GPIO_PIN_3},
		{9,  GPIOI, GPIO_PIN_2},
		{11, GPIOI, GPIO_PIN_1},
		{5,  GPIOH, GPIO_PIN_7},
		{6,  GPIOH, GPIO_PIN_9},
		{13, GPIOB, GPIO_PIN_13},
		{19, GPIOI, GPIO_PIN_7},
		{26, GPIOI, GPIO_PIN_4},
};

如果想增加GPIO支持，也可以在此数组中添加。

设定输出模式后，就可以使用如下命令控制GPIO的输出状态

PIN 2,1

第一个参数是GPIO的编号，第二个参数是输出电平，0表示低电平，1表示高电平

成品效果图展示

PCB空板图

焊接成品图

安装图

基本命令行环境

显示图片

播放视频

BASIC环境

通过BASIC代码控制GPIO