單片機(jī)的OLED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　為了提高圖形信息的顯示速度，并得到更多的顯示效果，文章基于FG_V1.2單片機(jī)開發(fā)板，依據(jù)OLED12864顯示屏的操作時(shí)序要求，用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于0.96英寸OLED屏的顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，其具有比12864LCD模塊更快的刷新速度和更好的顯示效果。

　　OLED（Organic Light Emitting Display）顯示技術(shù)是比液晶顯示技術(shù)更為先進(jìn)的新一代平板顯示技術(shù)，其被業(yè)界公認(rèn)為是繼LCD、PDP之后最理想和最具發(fā)展前景的第三代顯示技術(shù)。相比于液晶顯示技術(shù)，其具有超輕薄、高亮度、廣視角、自發(fā)光、響應(yīng)快、抗震強(qiáng)、功耗低、適應(yīng)溫度范圍寬，可實(shí)現(xiàn)柔性顯示等優(yōu)越性能，有“夢(mèng)幻顯示器” 的美譽(yù)，可廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用、商業(yè)、交通等領(lǐng)域。在顯示輸出方面，目前主要采用3種方式，即：圖形、數(shù)字或?qū)Ｓ梅?hào)，在嵌入式領(lǐng)域，顯示常采用LED、數(shù)碼管及液晶顯示器。前兩種實(shí)現(xiàn)簡單，但顯示內(nèi)容不夠豐富。LCD顯示器雖能顯示較為豐富的內(nèi)容，但其響應(yīng)慢（出現(xiàn)殘像），且亮度相對(duì)較低。OLED則響應(yīng)較快，其響應(yīng)速度可達(dá)液晶的1000倍以上，且OLED無需背光，亮度高，在功耗、視角等方面也均優(yōu)于LCD顯示器，鑒于此，OLED顯示屏越來越廣泛地應(yīng)用在日常生活當(dāng)中。

　　該文以宏晶公司的STC89C52單片機(jī)為控制核心，信意電子科技提供的0.96寸OLED模塊為顯示輸出設(shè)備，在Keil環(huán)境下編寫OLED顯示模塊驅(qū)動(dòng)程序，并下載Hex文件至單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)OLED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1 實(shí)現(xiàn)原理

　　文中所采用的OLD模塊具有和12864LCD相同的分辨率，但其在單位面積上具有更多的像素點(diǎn)。該模塊的驅(qū)動(dòng)芯片是SSD1306Z，它是一款專門用于驅(qū)動(dòng)OLED點(diǎn)陣屏的COMS芯片，其包含128個(gè)段和64個(gè)公共端。為了能夠通過外部控制器向其寫入用于顯示的數(shù)字信息，其對(duì)外提供了8個(gè)數(shù)據(jù)引腳和 5個(gè)控制腳，并向用戶提供了4種總線接口。文中所采用的OLED模塊可實(shí)現(xiàn)SPI和IIC兩種總線接口模式，默認(rèn)為SPI模式。在SPI模式下，僅有數(shù)據(jù)引腳的低2位和控制引腳的CS#，D/C#和RES#與單片機(jī)進(jìn)行接口。為了能讓OLED具有豐富的顯示效果和靈活簡便的操作方式，SSD1306Z向用戶提供了豐富的操作指令集，另外還向用戶提供了128x64位的GDDRAM（Graphic Display Data RAM）。由于所采用的OLED不帶字庫，因此無論是顯示圖形還是顯示漢字，均需通過取模軟件進(jìn)行編碼，然后按SPI協(xié)議，將對(duì)應(yīng)的編碼按照所確定的地址模式寫入對(duì)應(yīng)的CDDRAM中。編碼原理如圖1所示。圖1給出了16*8編碼格式的字符‘A’，由于8行為一頁，因此其占據(jù)2頁的高度，而寬度則占據(jù)8 列。圖1中的每一個(gè)方格代表一位，若要顯示則置1，反之置0。向GDDRAM當(dāng)中送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過指令確定操作所需的地址模式及存儲(chǔ)器的地址，然后先寫 ‘A’的第2頁的編碼，再寫其第3頁的編碼，即可完成編碼的寫入操作。圖1所對(duì)應(yīng)的編碼為0x00，0x00，0xe0，0x 9c，0xf0，0x80，0x00，0x00，0x08，0x0f，0x08，0x00，0x00，0x0b，0xoe，0x08，編碼時(shí)高位在下，低位在上。同理，可得對(duì)任意漢字的編碼。

　　圖1：OLED字符編碼

　　2 時(shí)序分析

　　操作時(shí)序?yàn)镮C芯片的可靠工作提供了正確的節(jié)拍，因此操作時(shí)序正確與否將直接影響芯片的工作狀態(tài)，文中OLED模塊默認(rèn)工作方式為4線SPI，其操作時(shí)序如圖2所示。圖2上部分為操作一位對(duì)應(yīng)的時(shí)序，下部分為操作一個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的時(shí)序，由圖2可知當(dāng)發(fā)送一個(gè)字節(jié)時(shí)，先發(fā)該字節(jié)的最高位，最后發(fā)最低位。

　　圖2：4線SPI操作時(shí)序圖

　　圖2中，CS#為OLED片選信號(hào)線，低電平有效，在芯片有效后，可通過拉低或拉高D/C#來決定是進(jìn)行命令寫入操作還是進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入操作，在時(shí)鐘 SCLK拉高之前建立D/C#信號(hào)，其建立時(shí)間為tAS，SDIN在SCLK低電平有效，并在SCLK上升沿時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)保持時(shí)間為tDHW，之后可發(fā)生數(shù)據(jù)交換，為下次數(shù)據(jù)讀取作準(zhǔn)備。圖2中具體的時(shí)序特性如表1所示。

　　表1：4線SPI時(shí)序特性

　　表1給出了正確實(shí)現(xiàn)OLED操作的時(shí)序要求，由表1可知時(shí)間參數(shù)的最小值均小于1μs。文中控制器選用的是STC89C52，采用12 M晶振時(shí)機(jī)器周期為1μs，因此，只需讓STC89C52按上圖時(shí)序順序執(zhí)行程序，則其操作過程便可完全滿足4線SPI操作的時(shí)序要求。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　要使OLED正確顯示出所需的信息，除了在其運(yùn)行過程中嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行操作外，在起動(dòng)時(shí)還要滿足一定的上電順序，之后還要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的初始化。OLED的上電順序如圖3所示。

　　圖3：OLED上電時(shí)序圖

　　圖3中，在VDD得電并穩(wěn)定后，RES#引腳被拉低并維持低電平至少3μs（t1），然后再接其拉高，從而實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位。在芯片完成復(fù)位后，VCC上電。在VCC穩(wěn)定之后，可發(fā)送0XAF命令開顯示，而OLED的段和公共端（SEG/COM）則需再延遲100 ms，方可得電。按此可得對(duì)應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)為：

　　同理可知，若將D/C#引腳電平拉高，則可得到發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　4 硬件接口

　　硬件基于自主開發(fā)的FG_V1.2開發(fā)板，核心控制芯片為宏晶公司LQFP-44封裝的貼片STC89C52單片機(jī)，OLED的時(shí)鐘引腳SCLK（D0）與單片機(jī)的P16引腳進(jìn)行接口，數(shù)據(jù)引腳SDA（D1）與單片機(jī)的P17引腳進(jìn)行接口，控制腳RST#與單片機(jī)的P36引腳進(jìn)行接口，D/C#引腳與單片機(jī)的P37引腳進(jìn)行接口，片選信號(hào)CS#已接至地。具體的硬件接口電路如圖4所示。

　　圖4：OLED與單片機(jī)接口電路

　　5 實(shí)現(xiàn)效果

　　SSD1306Z驅(qū)動(dòng)芯片為OLED提供了豐富的指令集，可以使OLED在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的同時(shí)，還能具有多種顯示效果（如反白、漸變、閃爍等）和動(dòng)態(tài)效果（如左移、右移、斜角斜屏、動(dòng)態(tài)區(qū)域設(shè)置等）。具體顯示效果如圖5所示。

　　圖5：OLED實(shí)物顯示效果

　　圖5為OLED模塊在STC89C52單片機(jī)控制下的幾種顯示效果。（a）為靜態(tài)顯示效果，（b）為反白顯示效果，反白后通過相機(jī)可見屏幕當(dāng)中有動(dòng)態(tài)黑色條紋，這是因?yàn)榉窗罪@示時(shí)出現(xiàn)了串?dāng)_（Crosstalk）現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象被相機(jī)捕獲到了，人眼觀察是不存在動(dòng)態(tài)黑色條紋的。（c）為區(qū)域動(dòng)態(tài)效果，屏幕漢字部分設(shè)置為靜態(tài)，而網(wǎng)址部分設(shè)置為連續(xù)右移的動(dòng)態(tài)效果。由此可見，OLED相對(duì)比LCD顯示，其具有更豐富的顯示效果。

　　6 結(jié)論

　　文中通過STC89C52單片機(jī)對(duì)OLED顯示模塊進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，其不僅硬件接口簡單，而且在軟件實(shí)現(xiàn)上極具靈活性，模塊驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306Z包含豐富指令集，不僅簡化了軟件實(shí)現(xiàn)，而且豐富了顯示效果。相比于同分辨率的12864LCD模塊，OLED顯示模塊小巧精致，刷新速度快，顯示效果豐富，成本相對(duì)也較低，是12864LCD模塊的理想替代產(chǎn)品。隨著OLED技術(shù)的發(fā)展，相信顯示技術(shù)必將發(fā)展到一個(gè)新的階段。