基于單片機的OLED顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：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單片機開發(fā)板，依據(jù)OLED12864顯示屏的操作時序要求，用51單片機實現(xiàn)了基于0.96英寸OLED屏的顯示系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)實際測試表明，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、功耗低、適應(yīng)溫度范圍寬，可實現(xiàn)柔性顯示等優(yōu)越性能，有“夢幻顯示器”的美譽，可廣泛應(yīng)用于通信、計算機、消費電子、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?，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)動程序，并下載Hex文件至單片機，從而實現(xiàn)OLED顯示系統(tǒng)設(shè)計。

1 實現(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。該模塊的驅(qū)動芯片是SSD1306Z，它是一款專門用于驅(qū)動OLED點陣屏的COMS芯片，其包含128個段和64個公共端。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，其對外提供了8個數(shù)據(jù)引腳和5個控制腳，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，將對應(yīng)的編碼按照所確定的地址模式寫入對應(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，先通過指令確定操作所需的地址模式及存儲器的地址，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，編碼時高位在下，低位在上。同理，可得對任意漢字的編碼。

2 時序分析

操作時序為IC芯片的可靠工作提供了正確的節(jié)拍，因此操作時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，其操作時序如圖2所示。圖2上部分為操作一位對應(yīng)的時序，下部分為操作一個字節(jié)所對應(yīng)的時序，由圖2可知當(dāng)發(fā)送一個字節(jié)時，先發(fā)該字節(jié)的最高位，最后發(fā)最低位。

圖2中，CS#為OLED片選信號線，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，在時鐘SCLK拉高之前建立D/C#信號，其建立時間為tAS，SDIN在SCLK低電平有效，并在SCLK上升沿時進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)保持時間為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

序特性如表1所示。

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

3 軟件實現(xiàn)

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

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。按此可得對應(yīng)的軟件實現(xiàn)為：

OLED按圖3完成正確的上電之后，需對SSD1306Z進(jìn)行相應(yīng)的初始化方可使其正常運行。OLED軟件初始化過程為：

按照圖2時序圖要求，發(fā)送一個字節(jié)命令的函數(shù)實現(xiàn)如下：

同理可知，若將D/C#引腳電平拉高，則可得到發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)實現(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，OLED的時鐘引腳SCLK(D0)與單片機的P16引腳進(jìn)行接口，數(shù)據(jù)引腳SDA(D1)與單片機的P17引腳進(jìn)行接口，控制腳RST#與單片機的P36引腳進(jìn)行接口，D/C#引腳與單片機的P37引腳進(jìn)行接口，片選信號CS#已接至地。具體的硬件接口電路如圖4所示。

5 實現(xiàn)效果

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

圖5為OLED模塊在STC89C52單片機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，反白后通過相機可見屏幕當(dāng)中有動態(tài)黑色條紋，這是因為反白顯示時出現(xiàn)了串?dāng)_(Crosstalk)現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象被相機捕獲到了，人眼觀察是不存在動態(tài)黑色條紋的。(c)為區(qū)域動態(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)右移的動態(tài)效果。由此可見，OLED相對比LCD顯示，其具有更豐富的顯示效果。

6 結(jié)論

文中通過STC89C52單片機對OLED顯示模塊進(jìn)行了驅(qū)動，實驗表明，其不僅硬件接口簡單，而且在軟件實現(xiàn)上極具靈活性，模塊驅(qū)動芯片SSD1306Z包含豐富指令集，不僅簡化了軟件實現(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)展到一個新的階段。