基于单片机的OLED显示系统设计方案

OLED(Organic Light Emitting Display)显示技术是比液晶显示技术更为先进的新一代平板显示技术，其被业界公认为是继LCD、PDP之后最理想和最具发展前景的第三代显示技术。相比于液晶显示技术，其具有超轻薄、高亮度、广视角、自发光、响应快、抗震强、功耗低、适应温度范围宽，可实现柔性显示等优越性能，有“梦幻显示器”的美誉，可广泛应用于通信、计算机、消费电子、工业应用、商业、交通等领域。在显示输出方面，目前主要采用3种方式，即：图形、数字或专用符号，在嵌入式领域，显示常采用LED、数码管及液晶显示器。前两种实现简单，但显示内容不够丰富。LCD显示器虽能显示较为丰富的内容，但其响应慢(出现残像)，且亮度相对较低。OLED则响应较快，其响应速度可达液晶的1000倍以上，且OLED无需背光，亮度高，在功耗、视角等方面也均优于LCD显示器，鉴于此，OLED显示屏越来越广泛地应用在日常生活当中。

本文以宏晶公司的STC89C52单片机为控制核心，信意电子科技提供的0.96寸OLED模块为显示输出设备，在Keil环境下编写OLED显示模块驱动程序，并下载Hex文件至单片机，从而实现OLED显示系统设计。

1 实现原理

文中所采用的OLD模块具有和12864LCD相同的分辨率，但其在单位面积上具有更多的像素点。该模块的驱动芯片是SSD1306Z，它是一款专门用于驱动OLED点阵屏的COMS芯片，其包含128个段和64个公共端。为了能够通过外部控制器向其写入用于显示的数字信息，其对外提供了8个数据引脚和5个控制脚，并向用户提供了4种总线接口。文中所采用的OLED模块可实现SPI和IIC两种总线接口模式，默认为SPI模式。在SPI模式下，仅有数据引脚的低2位和控制引脚的CS#，D/C#和RES#与单片机进行接口。为了能让OLED具有丰富的显示效果和灵活简便的操作方式，SSD1306Z向用户提供了丰富的操作指令集，另外还向用户提供了128x64位的GDDRAM(Graphic Display Data RAM)。由于所采用的OLED不带字库，因此无论是显示图形还是显示汉字，均需通过取模软件进行编码，然后按SPI协议，将对应的编码按照所确定的地址模式写入对应的CDDRAM中。

编码原理如图1所示。图1给出了16*8编码格式的字符‘A’，由于8行为一页，因此其占据2页的高度，而宽度则占据8列。图1中的每一个方格代表一位，若要显示则置1，反之置0。向GDDRAM当中送数据时，先通过指令确定操作所需的地址模式及存储器的地址，然后先写‘A’的第2页的编码，再写其第3页的编码，即可完成编码的写入操作。图1所对应的编码为0x00，0x00，0xe0，0x 9c，0xf0，0x80，0x00，0x00，0x08，0x0f，0x08，0x00，0x00，0x0b，0xoe，0x08，编码时高位在下，低位在上。同理，可得对任意汉字的编码。

图1：OLED字符编码

 
2 时序分析

操作时序为IC芯片的可靠工作提供了正确的节拍，因此操作时序正确与否将直接影响芯片的工作状态，文中OLED模块默认工作方式为4线SPI，其操作时序如图2所示。图2上部分为操作一位对应的时序，下部分为操作一个字节所对应的时序，由图2可知当发送一个字节时，先发该字节的最高位，最后发最低位。

图2：4线SPI操作时序图

 
图2中，CS#为OLED片选信号线，低电平有效，在芯片有效后，可通过拉低或拉高D/C#来决定是进行命令写入操作还是进行数据写入操作，在时钟SCLK拉高之前建立D/C#信号，其建立时间为tAS，SDIN在SCLK低电平有效，并在SCLK上升沿时进行数据的读取，数据保持时间为tDHW，之后可发生数据交换，为下次数据读取作准备。图2中具体的时序特性如表1所示。

表1：4线SPI时序特性

 
表1给出了正确实现OLED操作的时序要求，由表1可知时间参数的最小值均小于1μs。文中控制器选用的是STC89C52，采用12 M晶振时机器周期为1μs，因此，只需让STC89C52按上图时序顺序执行程序，则其操作过程便可完全满足4线SPI操作的时序要求。

3 软件实现

要使OLED正确显示出所需的信息，除了在其运行过程中严格按时序进行操作外，在起动时还要满足一定的上电顺序，之后还要对其进行相应的初始化。OLED的上电顺序如图3所示。
 

图3：OLED上电时序图

 
图3中，在VDD得电并稳定后，RES#引脚被拉低并维持低电平至少3μs(t1)，然后再接其拉高，从而实现芯片复位。在芯片完成复位后，VCC上电。在VCC稳定之后，可发送0XAF命令开显示，而OLED的段和公共端(SEG/COM)则需再延迟100 ms，方可得电。按此可得对应的软件实现为：
 

OLED按图3完成正确的上电之后，需对SSD1306Z进行相应的初始化方可使其正常运行。OLED软件初始化过程为：
 

按照图2时序图要求，发送一个字节命令的函数实现如下：
 

 
同理可知，若将D/C#引脚电平拉高，则可得到发送一个字节数据的函数实现。

4 硬件接口

硬件基于自主开发的FG_V1.2开发板，核心控制芯片为宏晶公司LQFP-44封装的贴片STC89C52单片机，OLED的时钟引脚SCLK(D0)与单片机的P16引脚进行接口，数据引脚SDA(D1)与单片机的P17引脚进行接口，控制脚RST#与单片机的P36引脚进行接口，D/C#引脚与单片机的P37引脚进行接口，片选信号CS#已接至地。具体的硬件接口电路如图4所示。
 

图4：OLED与单片机接口电路

 
5 实现效果

SSD1306Z驱动芯片为OLED提供了丰富的指令集，可以使OLED在实现数据显示的同时，还能具有多种显示效果(如反白、渐变、闪烁等)和动态效果(如左移、右移、斜角斜屏、动态区域设置等)。具体显示效果如图5所示。
 

图5：OLED实物显示效果

 
图5为OLED模块在STC89C52单片机控制下的几种显示效果。(a)为静态显示效果，(b)为反白显示效果，反白后通过相机可见屏幕当中有动态黑色条纹，这是因为反白显示时出现了串扰(Crosstalk)现象，而这种现象被相机捕获到了，人眼观察是不存在动态黑色条纹的。(c)为区域动态效果，屏幕汉字部分设置为静态，而网址部分设置为连续右移的动态效果。由此可见，OLED相对比LCD显示，其具有更丰富的显示效果。

6 结论

文中通过STC89C52单片机对OLED显示模块进行了驱动，实验表明，其不仅硬件接口简单，而且在软件实现上极具灵活性，模块驱动芯片SSD1306Z包含丰富指令集，不仅简化了软件实现，而且丰富了显示效果。相比于同分辨率的12864LCD模块，OLED显示模块小巧精致，刷新速度快，显示效果丰富，成本相对也较低，是12864LCD模块的理想替代产品。随着OLED技术的发展，相信显示技术必将发展到一个新的阶段。

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