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[ESP8266/ESP32] FireBeetle 做一个 VGA 时钟

1987年4月2日， IBM 推出了 PS/2,这是Personal System/2 Model 80 (IBM 8580)的缩写。在这个电脑上引入了VGA(VideoGraphics Array)接口，它成为模拟信号的电脑显示标准。

VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)，从块头巨大的CRT显示器时代开始，VGA接口就被使用，并且一直沿用至今。

VGA 公头

标号	名称	描述	标号	名称	描述
1	RED	视频红色分量	9	KEY	保留
2	GREEN	视频绿色分量	10	SGND	同步信号地
3	BLUE	视频蓝色分量	11	NC	保留
4	NC	保留	12	Bi-Diorectional Data	SDA
5	GND	地	13	HSYNC	行同步信号
6	RGND	红色地	14	VSYNC	场同步信号
7	GGND	绿色地	15	Data Clock	SCL
8	BGND	蓝色地

简单的说，工作原理是：RG B 三个Pin 给出每一个点的颜色组成信息，显示器采样后即按照给出值显示，当显示完一行后，行同步信号通知显示器换行，如此进行，当一帧显示完成后场同步信号通知显示器这一帧结束了，请从最上面再进行显示。

对于我们来说，只要单片机足够快就可以模拟出 VGA 信号从而达到显示的目的。这次制作一个 VGA 转接板，配合 FireBeetle 在显示器上显示当前时间。

首先，本项目基于开源图形库FabGL【参考1】，它是设计给ESP32的图形库。它实现了多个显示驱动程序，例如VGA接口的显示器以及I2C和SPI 接口的液晶屏）。此外FabGL还可以从PS/2键盘和鼠标获取输入，方便实现简单的交互。硬件设计上 GPIO21/22 用作红色信号输出；GPIO18/19用作绿色信号输出；GPIO4/5用作蓝色信号输出；GPIO23用于 HSync；GPIO15用于VSync（定义在vga16controller.h）。每一种颜色使用2个电阻构成简单的 DAC 电路，因此可以显示 2^6=64种颜色。

最终给FireBeetle设计了一个 VGA Shield 如下：

此外，引出所有的IO方便日后扩展其他功能。

此外，还有一个I2S的 DAC输出，为日后音频输出预留

除了 FireBeetle提供电力，板子上还有一个 USB接口，可以直接将USB插入此处供电。

PCB 布线如下：

3D预览如下：

制作好的 PCB 如下：

用于颜色显示的电阻是必须的，其他的没有焊接。安装之后的样子：

接下来编写代码，基本原理是使用 FabGL 的终端（Terminal，相当于一个 ASCII 字符显示器），在上面使用 ASCII绘制转动的地球；此外，通过 WIFI 获得阿里NTP服务器提供的日期时间信息，一起输出到VGA接口上显示在屏幕上。

#include "fabgl.h"
#include "vtanimations.h"
#include <WiFi.h>

// VGA 显示
fabgl::VGA16Controller DisplayController;
fabgl::Terminal        Terminal;

const char *ssid = "labz_001665"; //网络名称
const char *password = "12345678"; //网络密码

// 使用阿里的 NTP 获得当前时间
const char* ntpServer = "ntp.aliyun.com";
// 时区修正，我们在东八区
const long  gmtOffset_sec = 8 * 60 * 60;
// 夏令时修正
const int   daylightOffset_sec = 0;

void setup() {
  struct tm timeinfo;
  Serial.begin(115200);

  // Connect to Wi-Fi
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected.");
  delay(2000);
  Serial.println("Connect to NTP server");
  // 从 NTP Server 获得时间
  configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
  // 如果没有成功获取，那么重启 ESP32
  if (!getLocalTime(&timeinfo)) {
    Serial.println("Failed to obtain time, retry");
    delay(5000);
    ESP.restart();
  }
  Serial.println("Got time");
  // 取得时间后即可断开 WIFI
  WiFi.disconnect(true);
  WiFi.mode(WIFI_OFF);


  DisplayController.begin();
  // 设定分辨率
  DisplayController.setResolution(VGA_640x480_60Hz);

  // 创建 Terminal
  Terminal.begin(&DisplayController);
  Terminal.enableCursor(true);

  // 背景为黑，文字绿色
  Terminal.write("\e[40;92m");
  // 请屏幕
  Terminal.write("\e[2J");

  Terminal.write("\e[20h");
  //Terminal.write("\e[92m");
  // 关闭光标
  Terminal.enableCursor(false);

}

void loop() {

  int i = 0;
  while (i < sizeof(vt_animation) - 4) {
    // 如果当前要发送回归第一行的命令，就输出当前时间
    if (vt_animation[i] == 0x1B && vt_animation[i + 1] == 0x5B && vt_animation[i + 2] == 0x48) {
      struct tm timeinfo;
      // 取得当前时间
      getLocalTime(&timeinfo);

      char buf[60];
      // 年月日
      sprintf(buf, "\e[10;56H%d/%02d/%02d", timeinfo.tm_year + 1900, timeinfo.tm_mon + 1, timeinfo.tm_mday);
      Serial.println(buf);
      Terminal.write(buf);
      //小时分钟秒
      sprintf(buf, "\e[14;56H%02d:%02d:%02d", timeinfo.tm_hour, timeinfo.tm_min, timeinfo.tm_sec);
      Serial.println(buf);
      Terminal.write(buf);

      // 输出回归第一行的命令
      Terminal.write(vt_animation[i]);
      Terminal.write(vt_animation[i + 1]);
      Terminal.write(vt_animation[i + 2]);
      // 跳过这个命令
      i = i + 3;
    }
    Terminal.write(vt_animation[i]);
    i++;
  }
}
复制代码