基于C8051F的OLED控制電路的設(shè)計(jì)

1         引言

有機(jī)電致發(fā)光顯示，又稱有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode, OLED）或有機(jī)發(fā)光顯示器Organic Light Emitting Display（OLED），相較于目前市場上流行的液晶顯示器（LCD）有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為：自主發(fā)光（不需要背光源），無視角問題（視角可達(dá)170°以上），重量輕，厚度薄，亮度高，發(fā)光效率高，響應(yīng)速度快（是液晶的1000倍），動(dòng)態(tài)畫面質(zhì)量高，溫度范圍廣（溫度范圍－40℃～80℃），低功耗，抗震能力強(qiáng)，制造成本低，可柔性顯示。尤其適用于要求高亮度的儀表行業(yè)，以及條件要求更高的軍工產(chǎn)品。與各方面已經(jīng)發(fā)展成熟的LCD相比，OLED的發(fā)展還處于初級階段，但隨著以上這些優(yōu)勢的逐步實(shí)現(xiàn)，OLED將極有可能取代LCD在市場上的地位，OLED是被業(yè)界公認(rèn)為最具發(fā)展前景的下一代顯示器。

2    硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文利用單片機(jī)C8051F023作為128×64單色OLED的控制核心器件，采用的是維信諾公司的一款屏VGG12864G，它利用Solomon公司的SSD1303為專用驅(qū)動(dòng)IC。實(shí)現(xiàn)文字顯示及圖像的動(dòng)靜態(tài)顯示。硬件整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖 1  硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

Fig．1   System diagram

2.1  SSD1303 驅(qū)動(dòng)及接口電路

VGG12864G模塊的OLED顯示屏為128列，64行結(jié)構(gòu)。圖2為SSD1303結(jié)構(gòu)框圖，顯示了模塊邏輯電路和接口電路的框圖。用戶只需要給接口提供電源、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)指令信號和顯示數(shù)據(jù)信號，就能點(diǎn)亮OLED屏。從圖中可以看出，行、列驅(qū)動(dòng)器的輸出通過FPC邦定到OLED屏，剩下的MCU接口、電壓和電流控制器需要是其專門設(shè)計(jì)的接口和驅(qū)動(dòng)電路，模塊的外部信號僅與SSD1303發(fā)生關(guān)系。所以了解了SSD1303的輸入特性及指令系統(tǒng)，就能方便地使用本模塊了。

SSD1303是晶門公司推出的驅(qū)動(dòng)單色OLED的IC，采用TAB封裝。這種基于CMOS工藝的驅(qū)動(dòng)IC集成了行、列驅(qū)動(dòng)器、振蕩器、對比度控制器和圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（GDDRAM），很大程度地減少了外圍器件和功耗?？芍С值淖畲蠓直媛蕿?32×64，其中OLED屏底部132×16的點(diǎn)陣區(qū)域可以顯示4色的局域色，并可編程實(shí)現(xiàn)64級灰度，當(dāng)用于單色顯示時(shí)，可編程控制256級對比度。根據(jù)所使用微處理器（MPU）的不同，它提供8位6800系列MPU并行、8位8080系列MPU并行和Serial Peripheral Interface (SPI)串行三種通信接口模式。

控制命令通過MCU接口輸入到控制命令解碼器進(jìn)行命令解碼，然后輸出時(shí)鐘、行同步、場同步信號，從而控制OLED顯示的振蕩頻率、顯示器件的電壓轉(zhuǎn)換模塊以及OLED顯示內(nèi)容的行列偏移量的驅(qū)動(dòng)模塊；如果是顯示數(shù)據(jù)(128×64bits)，那么顯示數(shù)據(jù)由控制電路通過MCU接口輸入到GDDRAM緩存，然后通過局域色解碼器對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，最后將解碼后的顯示數(shù)據(jù)通過行列驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)OLED顯示，OLED上呈現(xiàn)了穩(wěn)定的顯示效果。

圖2   SSD1303結(jié)構(gòu)框圖

Fig．2   Device configuration of SSD1303

2.2  電源的設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，外部硬件電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器用TPS7333芯片將5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V電源，并將輸出的電源信號通過電壓和電流控制器控制整個(gè)SSD1303的電壓和電流。整個(gè)系統(tǒng)需要3.3V和12V的電源，MCU（本文采用C8051F023）需要提供3.3V的電源電壓，OLED需要3.3V的邏輯電源電壓和9～12V的驅(qū)動(dòng)電源電壓，此驅(qū)動(dòng)電源電壓由外部電源轉(zhuǎn)換器電路提供。

2.3  各種控制信號

再就是關(guān)于如何用MCU控制，MCU通過RES#、CS#、D/C、WR#、RD#和D0～D7共13個(gè)接口控制SSD1303驅(qū)動(dòng)IC，從而控制OLED顯示屏。CS#為片選信號，當(dāng)CS#接低電平時(shí)MCU才能與驅(qū)動(dòng)IC通信；RES#是復(fù)位使能端，當(dāng)接低電平時(shí)，所有控制寄存器均被設(shè)定為出廠時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)，同時(shí)圖像寄存器清零；D/C為數(shù)據(jù)/命令選擇信號；WR#和RD#分別為寫和讀選擇信號，當(dāng)CS#為低時(shí)，在其下降沿讀寫有效。通過改變D/C、WR#和RD#三個(gè)接口的高低，單片機(jī)對OLED的控制有四種狀態(tài)，可由表1顯示出來。

表1 讀寫狀態(tài)一覽表

2.4  讀寫的時(shí)序

只要按照VGG12864G的時(shí)序波形圖進(jìn)行讀和寫，即可完成OLED的顯示。但是，通過軟件編程拼時(shí)序的話，要考慮到許多時(shí)間參數(shù)，有一定的難度。為了使得數(shù)據(jù)和命令能夠更容易的順利讀寫，我們采用另外一種辦法。如圖1所示，將WR#和RD#分別接C8051F023的/WR和/RD，即P0.7和P0.6。在C語言編程時(shí)定義指針類型為xdata型，它是指向片外存儲(chǔ)器的，通過給指針的賦值訪問片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，/RD和/WR會(huì)在讀和寫時(shí)自動(dòng)變低，同時(shí)P3端口為數(shù)據(jù)總線，非復(fù)用方式下，地址總線的高8位使用P1口，低8位使用P2口；復(fù)用方式下，地址總線高8位仍使用P1口，低8位和數(shù)據(jù)總線復(fù)用P3口，P2口就不會(huì)受到影響。所以最好設(shè)置成復(fù)用方式（EMIOCF.4=0），P2口就可以用來作別的輸出端口，自由地控制RES#、CS#、DC。雖然不需要地址總線，但訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)地址線會(huì)被使用，所以仍要避開。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)序波形圖如圖3所示。只要CS#為低時(shí)，在WR#（RD#）的下降沿寫入（讀出）數(shù)據(jù)或命令，即可有效地完成讀寫的工作。

圖3  時(shí)序波形圖

Fig．3   Timing characteristics

3  軟件程序的設(shè)計(jì)

整個(gè)單片機(jī)控制OLED的顯示程序用C語言編寫，主要程序流程圖如圖4所示。單片機(jī)初始化包括關(guān)閉看門狗、時(shí)鐘初始化、端口初始化，以及定時(shí)器和中斷的初始化。OLED初始化包括開顯示、設(shè)置顯示模式、設(shè)置對比度控制器、對比度設(shè)置（1～256）、設(shè)置行列起始地址、設(shè)置具體位置顏色、設(shè)置串口管腳配置。清OLED屏和OLED顯示都是往GDDRAM里寫數(shù)據(jù)，包括讀狀態(tài)、寫命令、寫數(shù)據(jù)子程序，清OLED屏就全寫“0”，OLED顯示只要寫入所要顯示的文字或圖片的字符代碼即可。每次寫（命令或數(shù)據(jù)）之前都要讀狀態(tài)，看最高位D7是否為“0”，也稱之為“忙”檢測，如果為“1”，表示“忙”；反之為“閑”，在“閑”的狀況下才可以寫操作。

圖4  程序流程圖

Fig．4   Flowchart of software[!--empirenews.page--]

4         文字和圖片的顯示

VGG12864G內(nèi)置128×64 bits的顯示存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)，圖5為RAM的地址結(jié)構(gòu)。RAM容量為128×64＝8192 bits，它被分成8頁(page0－page7)，每頁8行，每頁的第一列剛好是一個(gè)字節(jié)，低位在上，高位在下；顯示屏上各像素點(diǎn)的顯示狀態(tài)與顯示存儲(chǔ)器的各位二進(jìn)制數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)直接作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號。數(shù)據(jù)顯示為“1”，相應(yīng)的像素點(diǎn)顯示；數(shù)據(jù)顯示為“0”，相應(yīng)的像素點(diǎn)不顯示。

所顯示文字或圖片的字符庫，需要自己造，但人工的幾乎不可能，可以選用字模提取軟件——“字模提取 V2.2 ”，該軟件提供兩種取模方式：橫向和縱向。再根據(jù)OLED顯示數(shù)據(jù)的RAM地址結(jié)構(gòu)，選縱向的取模方式，由于OLED模組的字節(jié)結(jié)構(gòu)是高位在下低位在上，所以要設(shè)置成字節(jié)倒序，字符的字體、字形、大小和顯示效果（下劃線和刪除線）可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，然后采取C51格式（若用匯編語言編程可采取A51格式）取模生成單個(gè)字符的點(diǎn)陣顯示代碼，最后根據(jù)需要在OLED屏上的顯示效果，對代碼進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整即可得到所需字符庫。

圖5   顯示數(shù)據(jù)RAM的地址結(jié)構(gòu)

Fig．5   GDDRAM Address Map
根據(jù)所要顯示的文字或圖片生成所需字符庫，通過OLED顯示程序?qū)⒆址a寫入并存儲(chǔ)在SSD1303的GDDRAM模塊后，就可以穩(wěn)定地顯示出來。通過軟件編程也可實(shí)現(xiàn)圖片的動(dòng)態(tài)顯示，如圖6為該系統(tǒng)所完成的文字和圖片顯示。

圖6  字符的顯示

Fig．6   Display of characters

圖7  靜態(tài)圖片的顯示

Fig．7   Display of static pictures

5          結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)OLED顯示的方法。針對其功能和特性，解決了相關(guān)部分的電路設(shè)計(jì)，并在所開發(fā)的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了文字、動(dòng)靜態(tài)圖片的顯示。實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)電路簡單，為該系統(tǒng)大大降低了成本，使該系統(tǒng)可以應(yīng)用在小型設(shè)備上。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：突破了完全靠軟件控制片選、復(fù)位、讀、寫和數(shù)據(jù)/命令這些信號來拼時(shí)序的難度限制，該文章提出了一種軟硬件結(jié)合完成讀寫數(shù)據(jù)和命令的方法，使硬件電路和軟件編程都得到了一定程度上的簡化。還有，通過使用字模提取軟件，并結(jié)合OLED的RAM地址結(jié)構(gòu)，也較詳細(xì)地說明了如何提取字符代碼，并調(diào)整得到所需的字符庫。