基于 STM32 与LVGL， 7寸QSPI 屏的无人机 MFD 仪表方案实践

目录

引言

无人机地面多功能显示器（MFD）是飞行控制的核心交互设备，需实时呈现关键飞行参数并支持快速操作。本方案采用 STM32 微处理器直接通过 QSPI 接口驱动 7 寸液晶屏，集成 CAN FD 总线实现与无人机飞控系统的高速数据交互，通过物理按键完成操作，专注于无人机专用参数显示（剩余电量、电机转速、悬停高度等），兼顾可靠性与实时性。

项目概述

核心目标

硬件选型与设计

核心控制器选型

选用STM32H743VIT6作为主控制器，关键参数：

显示设备选型

7 寸 800*480 QSPI 接口液晶屏参数：

关键外设模块

硬件连接设计

1. STM32 与 QSPI 液晶屏连接

2. STM32 与 CAN FD 总线连接

3. 功能按键连接

开发环境搭建

核心工具

环境配置步骤

1. STM32CubeMX 配置

2. LVGL 移植配置

界面设计与实现（800*480）

整体布局设计

针对无人机专用参数，界面划分为 5 个区域：

核心仪表实现

1. 悬停高度显示（主参数区）

c

运行

void altitude_display_init(lv_obj_t *parent) {
// 创建容器（400*300）
lv_obj_t *container = lv_obj_create(parent);
lv_obj_set_size(container, 400, 300);
lv_obj_align(container, LV_ALIGN_TOP_LEFT, 0, 30);
lv_obj_set_style_bg_color(container, lv_color_hex(0x000000), LV_PART_MAIN);

// 高度值标签（大字体）
lv_obj_t *alt_label = lv_label_create(container);
lv_obj_set_style_text_font(alt_label, &lv_font_montserrat_60, LV_PART_MAIN);
lv_obj_set_style_text_color(alt_label, lv_color_hex(0x00FF00), LV_PART_MAIN);
lv_label_set_text(alt_label, "0.0m");
lv_obj_align(alt_label, LV_ALIGN_CENTER, 0, -30);

// 高度单位标签
lv_obj_t *unit_label = lv_label_create(container);
lv_obj_set_style_text_font(unit_label, &lv_font_montserrat_24, LV_PART_MAIN);
lv_label_set_text(unit_label, "悬停高度");
lv_obj_align(unit_label, LV_ALIGN_CENTER, 0, 30);
}

// 更新高度值
void altitude_update(float height) {
char buf[10];
sprintf(buf, "%.1fm", height);
lv_label_set_text(alt_label, buf);
// 高度异常（>50m或<0）时变红
if (height < 0 || height > 50) {
lv_obj_set_style_text_color(alt_label, lv_color_hex(0xFF0000), LV_PART_MAIN);
} else {
lv_obj_set_style_text_color(alt_label, lv_color_hex(0x00FF00), LV_PART_MAIN);
}
}

2. 剩余电量显示（主参数区下方）

c

运行

void battery_display_init(lv_obj_t *parent) {
// 创建电池容器（400*50）
lv_obj_t *container = lv_obj_create(parent);
lv_obj_set_size(container, 400, 50);
lv_obj_align(container, LV_ALIGN_TOP_LEFT, 0, 330-50); // 主参数区下方

// 电量进度条
lv_obj_t *bat_bar = lv_bar_create(container);
lv_obj_set_size(bat_bar, 200, 20);
lv_obj_align(bat_bar, LV_ALIGN_CENTER, -50, 0);
lv_bar_set_range(bat_bar, 0, 100);

// 电量百分比标签
lv_obj_t *bat_label = lv_label_create(container);
lv_obj_set_style_text_font(bat_label, &lv_font_montserrat_20, LV_PART_MAIN);
lv_label_set_text(bat_label, "100%");
lv_obj_align(bat_label, LV_ALIGN_CENTER, 80, 0);
}

// 更新电量
void battery_update(uint8_t percentage) {
lv_bar_set_value(bat_bar, percentage, LV_ANIM_ON);
char buf[5];
sprintf(buf, "%d%%", percentage);
lv_label_set_text(bat_label, buf);
// 低电量（<20%）时进度条变红
if (percentage < 20) {
lv_obj_set_style_bg_color(bat_bar, lv_color_hex(0xFF0000), LV_PART_INDICATOR);
} else {
lv_obj_set_style_bg_color(bat_bar, lv_color_hex(0x00FF00), LV_PART_INDICATOR);
}
}

3. 电机转速表（右侧 400*300 区域）

c

运行

void motor_gauge_init(lv_obj_t *parent) {
// 创建4个电机仪表（2×2布局）
for (int i = 0; i < 4; i++) {
lv_obj_t *gauge = lv_gauge_create(parent);
lv_obj_set_size(gauge, 180, 180);
// 设置位置（2×2网格）
int x = (i%2) * 200 + 10;
int y = (i/2) * 150 + 10;
lv_obj_align(gauge, LV_ALIGN_TOP_LEFT, 400 + x, 30 + y);

// 配置仪表范围（0-100%）
lv_gauge_set_range(gauge, 0, 100);
lv_gauge_set_critical_value(gauge, 90); // 90%以上为警戒值
lv_gauge_add_needle_line(gauge, lv_color_hex(0x00FF00), 3, 50); // 绿色指针

// 电机编号标签
lv_obj_t *label = lv_label_create(gauge);
lv_label_set_text_fmt(label, "电机%d", i+1);
lv_obj_align(label, LV_ALIGN_BOTTOM_MID, 0, -10);
}
}

// 更新电机转速（0-100%）
void motor_speed_update(uint8_t motor_id, uint8_t speed) {
if (motor_id >= 4) return;
lv_gauge_set_value(motors[motor_id], 0, speed);
// 超警戒值（>90%）时指针变红
if (speed > 90) {
lv_gauge_set_needle_color(motors[motor_id], 0, lv_color_hex(0xFF0000));
} else {
lv_gauge_set_needle_color(motors[motor_id], 0, lv_color_hex(0x00FF00));
}
}

核心功能开发

1. QSPI 液晶屏驱动

c

运行

// 液晶屏初始化（发送QSPI命令）
void qspi_lcd_init(void) {
// 复位液晶屏
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(100);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(100);

// 初始化QSPI接口（STM32CubeMX已配置，此处发送屏初始化指令）
qspi_send_cmd(0x11); // 退出睡眠模式
HAL_Delay(120);
qspi_send_cmd(0x29); // 开启显示
qspi_send_cmd(0x36, 0x00); // 设置显示方向
}

// 通过QSPI发送命令
static void qspi_send_cmd(uint8_t cmd, uint8_t data) {
// 片选使能
HAL_QSPI_Command(&hqspi, &(QSPI_CommandTypeDef){
.Instruction = cmd,
.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,
.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE,
.DataMode = QSPI_DATA_1_LINE,
.DummyCycles = 0,
.NbData = 1,
.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE,
.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_DISABLE,
.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD
}, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE);

// 发送数据
HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, &data, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE);

// 片选禁用
HAL_QSPI_Abort(&hqspi);
}

// LVGL刷新回调（将图像数据写入液晶屏）
static void disp_flush(lv_disp_drv_t *disp, const lv_area_t *area, lv_color_t *color_p) {
// 设置液晶屏显示区域（area->x1, area->y1到area->x2, area->y2）
lcd_set_window(area->x1, area->y1, area->x2, area->y2);

// 计算数据长度（像素数×2字节/像素）
uint32_t length = (area->x2 – area->x1 + 1) * (area->y2 – area->y1 + 1) * 2;

// 通过QSPI发送图像数据
HAL_QSPI_Command(&hqspi, &(QSPI_CommandTypeDef){
.Instruction = 0x2C, // 写入GRAM命令
.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,
.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE,
.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES, // 4线模式加速传输
.DummyCycles = 0,
.NbData = length,
.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE,
.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_DISABLE,
.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD
}, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE);

HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, (uint8_t*)color_p, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE);
HAL_QSPI_Abort(&hqspi);

// 通知LVGL刷新完成
lv_disp_flush_ready(disp);
}

2. CAN FD 数据接收与解析

c

运行

// CAN FD初始化
void can_fd_init(void) {
// 过滤器配置（接收所有无人机数据帧）
CAN_FilterTypeDef filter = {
.FilterActivation = ENABLE,
.FilterBank = 0,
.FilterMode = CAN_FILTERMODE_IDMASK,
.FilterScale = CAN_FILTERSCALE_32BIT,
.FilterIdHigh = 0x0000,
.FilterIdLow = 0x0000,
.FilterMaskIdHigh = 0x0000,
.FilterMaskIdLow = 0x0000,
.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0
};
HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan1, &filter);

// 启动CAN FD并使能接收中断
HAL_CAN_Start(&hcan1);
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
}

// CAN FD接收中断回调
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) {
CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
uint8_t rx_data[64]; // CAN FD最大数据长度64字节

if (HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data) == HAL_OK) {
// 根据ID解析数据（无人机自定义协议）
switch (rx_header.StdId) {
case 0x101: // 飞行状态帧（高度、电量等）
parse_flight_status(rx_data, rx_header.DLC);
break;
case 0x102: // 电机状态帧
parse_motor_status(rx_data, rx_header.DLC);
break;
// 其他帧类型…
}
}
}

// 解析飞行状态帧（示例：rx_data[0-3]为高度，rx_data[4]为电量）
static void parse_flight_status(uint8_t *data, uint8_t len) {
if (len < 5) return;
// 高度（float类型，小端格式）
float height;
memcpy(&height, data, 4);
altitude_update(height);

// 电量（百分比）
battery_update(data[4]);
}

// 解析电机状态帧（示例：rx_data[0-3]为4路电机转速百分比）
static void parse_motor_status(uint8_t *data, uint8_t len) {
if (len < 4) return;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
motor_speed_update(i, data[i]);
}
}

3. 按键处理

c

运行

// 按键扫描任务（FreeRTOS任务）
void key_scan_task(void *arg) {
uint8_t key_state[5] = {1,1,1,1,1}; // 初始状态（未按下）
uint8_t key_prev[5] = {1,1,1,1,1}; // 上一状态

while (1) {
// 读取5个按键状态（0=按下，1=未按下）
key_state[0] = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_0); // 电源键
key_state[1] = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_1); // 菜单键
key_state[2] = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_2); // 上选择键
key_state[3] = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_3); // 下选择键
key_state[4] = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_4); // 确认键

// 检测按键下降沿（按下事件）
for (int i = 0; i < 5; i++) {
if (key_state[i] == 0 && key_prev[i] == 1) {
key_handler(i); // 处理按键事件
}
key_prev[i] = key_state[i];
}

osDelay(20); // 20ms扫描一次，去抖
}
}

// 按键事件处理
static void key_handler(uint8_t key_id) {
switch (key_id) {
case 1: // 菜单键
ui_switch_view(); // 切换界面视图
break;
case 2: // 上选择键
ui_param_increase(); // 参数增加
break;
case 3: // 下选择键
ui_param_decrease(); // 参数减少
break;
case 4: // 确认键
ui_param_confirm(); // 确认参数
break;
// 电源键处理（略）
}
}

系统集成与主程序

c

运行

// 主程序入口
int main(void) {
// 硬件初始化
HAL_Init();
SystemClock_Config(); // 配置400MHz系统时钟
MX_GPIO_Init();
MX_QSPI_Init();
MX_CAN1_Init();
MX_TIM6_Init(); // LVGL时基
MX_FREERTOS_Init(); // 初始化FreeRTOS

// 外设初始化
qspi_lcd_init(); // QSPI液晶屏初始化
can_fd_init(); // CAN FD初始化

// LVGL初始化
lv_init();
lv_port_disp_init(); // 绑定显示驱动
ui_init(); // 初始化界面元素

// 创建任务
osThreadNew(key_scan_task, NULL, &key_scan_task_attributes);
osThreadNew(ui_refresh_task, NULL, &ui_refresh_task_attributes);

// 启动调度器
osKernelStart();

while (1) {
// 主循环（FreeRTOS调度器运行后不会执行到这里）
}
}

// 界面刷新任务（100ms一次）
void ui_refresh_task(void *arg) {
while (1) {
lv_task_handler(); // 处理LVGL任务
osDelay(10); // 10ms一次，保证界面流畅
}
}

测试与调试

关键测试项

常见问题解决

总结与展望

本方案基于 STM32 与 QSPI 屏构建了无人机专用 MFD，通过 CAN FD 总线实现高速数据交互，物理按键操作简单可靠，重点呈现了剩余电量、电机转速、悬停高度等核心参数。方案优势在于：

未来可扩展方向：

• 增加数据记录功能（通过 SD 卡存储飞行参数）。
• 开发多视图切换（如增加姿态仪表、航线规划视图）。
• 集成无线数传模块（如 4G），支持远程监控。