S02_CH14_ EMIO_OLED 实验

本章将使用EMIO模拟OLED的时序来驱动OLED，本方案对米联系列Miz702,Miz702N和Miz701N全兼容。

14.1板载OLED硬件原理

Miz系列开发板板载OLED的型号是UG-2832HSWEG04（Miz701N为UG-2864HSWEG04），分辨率为128*32（Miz701N为128*64），接口类型为4线SPI，控制芯片为SSD1306。本小节，首先简要分析开发板OLED相关的硬件电路，然后对SSD1306控制器进行介绍，为后续的驱动开发做好铺垫。

14.1.1 硬件电路简析

Miz702和Miz702N OLED接口电路如下图所示。

Miz701N OLED接口电路如下图所示。

关键引脚具体说明如下表所示。

引脚名称	详细描述
SCLK	串行时钟线。总线上的数据传输是通过时钟驱动的。每个bit的传输都发生在SCLK的上升沿。
SDIN	串行数据线。输入数据（MSB最先传输）在SCLK上升沿被锁存，在最后一个时钟周期将8位串行数据转换为一个byte的并行数据。
D/C	数据/命令控制。高电平表示总线上传输的是数据，低电平表示总线上传输的是命令。
RES	复位信号。该信号被拉低时，芯片执行复位操作。
CS	片选信号。低电平有效。
VCC	面板驱动电压源。
VDD	控制器电压源。
VSS	地线。
VBAT	内部DC/DC电压转换器供电电源。

从原理图中可以看出片选信号CS通过电阻短接到GND，因此该信号是一直有效的；OLED-RES、OLED-DC、OLED-SCLK、OLED-SDIN直接连接到Zynq GPIO，其中RES和DC信号低电平有效；PIN7 VDD和PIN5 VBAT是高电平有效的，但是并非直接连接至Zynq GPIO，而是通过PMOS管进行驱动。根据PMOS管的导通特性可以知道，当OLED_VBAT和OLED-VDD为低电平时，3.3V的电压才会送到VBAT和VDD，换句话说，对于Zynq而言，VBAT和BDD是低电平有效。市面上大多是将VBAT和VDD直接连接到高电平，这样一来不需要额外的控制，但是功耗也相对高一些。Miz702和Miz702N开发板将VBAT和VDD连接到Zynq GPIO，可以通过软件控制OLED的通、断电，可以降低整个板子的功耗。

14.1.2 SSD1306简介

SSD1306是一块内置CMOS OLED/PLED驱动控制器的IC芯片，芯片可以驱动共阴型OLED面板。芯片内部包含晶振、显示RAM、对比度控制模块以及256级亮度控制模块，大大降低了外围元器件数量和功耗。MCU可以通过6800/8000并行接口，I2C接口或者SPI接口实现对SSD1306的控制。

板载OLED接口为4线串行（SPI）方式，工作在模式下，需要注意的地方有以下几点：

- 使用的信号有以下几个：CS，RES，DC，SCLK，SDIN，各信号作用请参照上一小节，此处不再重复。

- 只能往模块写数据而不能读数据。

- 每个数据长度均为8位，在SCLK的上升沿，数据从SDIN移入到SSD1306，并且是高位在前的。

- 写操作的时序如下图所示。

4线SPI模式就介绍到这里，时序图是十分重要的，驱动程序和SPI相关的函数就是对这个时序图设计的“翻译”。读者在为自己的项目设计电路时，如果用到其他几种接口方式，请自行阅读SSD1306数据手册。

接下来，我们介绍一下模块的显存，SSD1306的显存总共为128*64bit大小，SSD1306将这些显存分为了8页，其对应关系如下：

可以看出，SSD1306的每页包含了128个字节，总共8页，这样刚好是128*64的点阵大小。

14.2 OLED驱动开发思路解析

14.2.1 SPI接口

Zynq和OLED通过SPI总线连接，想要实现对OLED的控制，就必须按照SPI接口规范完成数据的传输，相应的我们在驱动实现时要设计出SPI接口函数。主要接口函数有以下几个：

- 写命令

- 写数据

这部分实现难度不大，在驱动实现基础篇参考源码，再结合18.3.2的时序图，很容易就能够理解。

14.2.2 SSD1306控制

对SSD1306的控制是通过SPI接口实现的，实现了基本的写命令和写数据操作之后，就可以轻松地完成SSD1306的控制，常用的控制函数有：

- SSD1306初始化，初始化流程如下图所示：

- 开启显示

- 关闭显示

在实现SSD1306的控制之前，有必要了解SSD1306常用控制命令，命令分为两种，一种是单字节命令；另一种是非单字节指令，第一个字节是命令字，接下来的一个或多个字节是配置项。现将命令按使用类型分类描述如下：

命令表单(D/C#=0, R/W#(WR#) = 0, E(RD#=1) 特殊状态除外)

1、基本命令

D/C	Hex	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	命令	描述
0	81 A[7:0]	1 A7	0 A6	0 A5	0 A4	0 A3	0 A2	0 A1	1 A0	设置对比度	双字节命令,1~256级对比度可选，对比度随值增加。 (复位值 = 0x7f)
0	A4/A5	1	0	0	0	0	1	0	X0	全部显示开	A4h,X0 = 0 :恢复内存内容显示(默认)，输出内存中的内容 A5h,X0 = 1 :开显示，输出无视内存的内容
0	A6/A7	1	0	0	0	0	1	1	X0	设置正常/逆显示	A6,X[0]= 0:正常显示(默认) RAM为0:显示面板关 RAM为1:显示面板开 A7 X[0]= 1:逆显示 RAM为0:显示面板开 RAM为1:显示面板关
0	AE/AF	1	0	0	0	1	1	1	X0	设置显示开/关	AE：X[0]= 0:关显示(默认) AF：X[0]= 1:在正常模式显示

D/C	Hex	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	命令	描述
0 0 0 0 0 0 0	26/27 A[7:0] B[2:0] C[2:0] D[2:0] E[7:0] F[7:0]	0 0 * * * 0 1	0 0 * * * 0 1	1 0 * * * 0 1	0 0 * * * 0 1	0 0 * * * 0 1	1 0 B2 C2 D2 0 1	1 0 B1 C1 D1 0 1	X0 0 B0 C0 D0 0 1	连续水平滚动设置	26小时,X[0]= 0,右向水平滚动 27 h,X[0]= 1,左向水平滚动 (水平滚动1列) [7:0]:虚拟字节(设置为00 h) B(2:0):定义开始页面地址 0～7 PAGE0 ～ PAGE7 C(2:0):设置每个滚动步骤之间的时间间隔的帧频 000 b - 5帧100 b - 3帧 001 b - 64帧101 b - 4帧 010 b - 128帧110 b - 25帧 011 b - 256帧111 b - 2帧 D(2:0):定义最终页面地址 0～7 PAGE0 ～ PAGE7 D(2:0)的值必须大于或等于B(2:0) E[7:0]:虚拟字节(设置为00 h) F[7:0]:虚拟字节(设置为FFh)
0	2E	0	0	1	0	1	1	1	0	禁用滚动
0	2F	0	0	1	0	1	1	1	1	激活滚动

2、寻址设置命令表

D/C	Hex	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	命令	描述
0	00~0F	0	0	0	0	X3	X2	X1	X0	设置低的列开始地址页面寻址模式	设置列的低咬起始地址注册页面使用X(握)寻址模式数据位。最初的显示行寄存器复位后重置为0000 b。请注意 (1)该命令只是页面寻址模式
0	10~1F	0	0	0	1	X3	X2	X1	X0	设定更高的列开始地址页面寻址模式	设置列的高咬起始地址注册页面使用X(握)寻址模式数据位。最初的显示行寄存器复位后重置为0000 b。请注意 1)这个命令只是页面寻址模式
0 0	20 A[1:0]	0 *	0 *	1 *	0 *	0 *	0 *	0 A1	0 A0	设置内存寻址模式	A[1:0]= 00,水平寻址模式 A[1:0]= 01,垂直的寻址模式 A[1:0]= 10,页面寻址模式(重置) A[1:0]= 11,无效
0 0 0	21 A[6:0] B[6:0]	0 * *	0 A6B6	1 A5B5	0 A4B4	0 A3B3	0 A2 B2	0A1 B1	1A0 B0	设置列地址	设置列开始和结束地址 A[6:0]:列起始地址,范围:0 - 127 (默认值 = 0) B[6:0]:列结束地址范围:0 - 127 (默认值 = 127) 注：(1)该命令只是为水平或垂直寻址模式。
0 0 0	22 A[2:0] B[2:0]	0 * *	0 * *	1 * *	0 * *	0 * *	0 A2 B2	1A1 B1	0A0 B0	设置页面地址	页面设置开始和结束地址 A[2:0]:页面起始地址,范围:0-7 (默认值= 0 ) B[2:0]:页面结束地址,范围:0-7 (默认值= 7 ) 注：(1)该命令只是为水平或垂直寻址模式。
0	B0~B7	1	0	1	1	0	X2	X1	X0	设置页面开始页面地址寻址模式	设置GDDRAM页面的起始地址 (PAGE0 ~ PAGE7)页面寻址模式,使用X[2:0]。请注意 (1)该命令只是页面寻址模式

3、硬件配置表(面板分辨率&设计相关)命令

0	40~7F	0	1	X5	X4	X3	X2	X1	X0	设置显示开始行	设置显示RAM的显示起始行地址0 -> 63,使用X5X4X3X2X1X0 。在复位后起始行地址为0。
0	A0/A1	1	0	1	0	0	0	0	X0	设置段重映射	A0,X[0]= 0:列地址0映射到 SEG0(默认值) A1 X[0]= 1:列地址127映射到SEG0
0 0	A8 A[5:0]	1 *	0 *	1 A5	0 A4	1 A3	0 A2	0 A1	0 A0	设置多种比列	MUX比率设置为N + 1 MUX N =A[5:0]:从16MUX到64MUX ,复位值= 111111 b(即63 d、64 mux) A[5:0]:值0到14是无效的。
0	C0/C8	1	1	0	0	X3	0	0	0	设置COM输出扫描方向	C0:X[3]= 0:正常模式(默认值)扫描 COM0->COM(N - 1) C8:X[3]= 1:重映射模式。扫描 COM0(N - 1)->COM0 其中N是MUX比率值
0 0	D3 A[5:0]	1 *	1 *	0 A5	1 A4	0 A3	0 A2	1 A1	1 A0	设置显示补偿	设置COM垂直移动 0->63 复位后的值为0。
0 0	DA A[5:4]	1 *	1 *	0 A5	1 A4	0 0	0 0	1 0	1 0	设置COM脚	A[4]= 0,连续COM脚配置 A[4]= 1,(默认),可选择COM脚配置 A[5]= 0,(默认),禁用COM左/右重映射 A[5]= 1,COM左/右可重映射

4、电荷泵命令表

A[7:0]

电荷泵

设置

A[2]= 0,禁用电荷泵(复位)

A[2]= 1,在显示时使能电荷泵

请注意：在下列的命令序列之前电荷泵必须启用:

0x8d;电荷泵设置

0x14,使能电荷泵

0xAF;开显示

所以的详细指令可以查阅《SSD1306说明书》。

14.2.2 Frame Buffer显示机制

SSD1306显存是按字节方式写入的，如果我们使用只写方式操作模块，每次要写8个点，因此在显示过程中，必须把要点亮的点所在的字节的每个位的状态都搞清楚，否则写入的数据就会覆盖掉之前的状态，造成显示错误。在可读的模式下，在写入之前，可以对待写入字节进行读取，修改需要操作的位之后再写入显存，虽然1读2改3写的操作方式耗时较多，但是不会出现显示错误。

在介绍SSD1306时已经说过，对于3线或4线SPI模式，模块是不支持读的。为了解决上述问题，采用的办法是在利用软件创建一个显示缓冲区frame_buffer[128][4],共512个字节，也就是128*32个位，对应了OLED整个显示区域。在每次修改的时候，只是修改软件内的frame_buffer，修改完成之后，一次性把frame_buffer内的数据写入到SSD1306内部显存。当然这个方法也有坏处，就是对于那些SRAM很小的单片机（比如51系列）就比较麻烦了。

14.2.3 像素操作函数

建立起frame buffer的显示机制后，只需要能够绘制和擦除像素的函数，就可以点亮和熄灭OLED面板上任意一个LED了。

像素操作函数并不是必须的，但是可以大大提高驱动的灵活性。比如我们要显示的不是中英文字符这种规律简单的图形，而是用某种算法描绘出来的图形，例如椭圆、正弦波等，采用和字符显示类似的查表操作就不见得是明智的选择了，所以像素操作函数就有了一定的必要性。

此外，像素操作函数为顶层API函数提供了一个唯一的OLED绘图接口函数，在移植OLED驱动时，只要不改动该函数的接口，就不会影响和绘图相关功能，从而便于驱动程序的移植和维护。

14.2.4 其他API的实现

虽然提供像素操作函数，就可以实现对OLED的操作，但是为了方便用户进行二次开发，有必要设计一些常见的API，常用的有以下几个：

- 英文字符显示

- 英文字符串显示

- 中文字符显示

14.3 OLED驱动方案实现

Zynq与传统FPGA最大的区别是芯片内置了ARM Cortex-A9双核CPU，因此基于Zynq的设计比基于普通SoC或者基于FPGA的设计有更多的选择，本小节给出一种实现方案，给读者提供一些设计思路。

基础方案，主要针对那些对FPGA开发不太熟悉，从传统SOC开发转型Zynq开发的设计人员。方案的主要工作均由PS完成，涉及FPGA的开发很少。

熟悉单片机开发的人都知道，用IO模拟总线时序是开发时常用的手段，当然，这是因为单片机资源有效，没有相应的总线接口控制器。随着MCU的内置资源越来越丰富， IO模拟总线时序的方法就显得没那么有必要了。但是MCU内置接口控制器也有其缺点和限制，例如硬件接口固定等，外设接口一旦不能完全匹配控制器接口，就不能轻松地使用MCU内置接口控制器了。也正是由于这个原因，本方案没有采用Zynq的SPI控制器，而是采用EMIO对总线时序进行模拟。

设置好参数后，在字符框中输入字符，然后点击生成字模，就可以获取到字模信息了。如下图所示。

为了更透彻地理解显示原理，笔者首先编写了一个简单的测试程序：

font.h

const unsigned char HanZi[4][32]=

{

// 米(0) 联(1) 电(2) 子(3)

{0x01,0x00,0x21,0x08,0x11,0x08,0x09,0x10,0x09,0x20,0xFF,0xFE,0x05,0x80,0x05,0x40,

0x09,0x40,0x09,0x20,0x11,0x20,0x11,0x18,0x21,0x0E,0x41,0x04,0x81,0x00,0x01,0x00},/*"米",0*/

{0x01,0x08,0xFE,0x8C,0x44,0x48,0x44,0x50,0x7F,0xFE,0x44,0x20,0x44,0x20,0x7C,0x20,

0x47,0xFE,0x44,0x20,0x4E,0x20,0xF4,0x20,0x44,0x50,0x04,0x48,0x04,0x86,0x05,0x04},/*"联",1*/

{0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x3F,0xF8,0x21,0x08,0x21,0x08,0x3F,0xF8,0x21,0x08,

0x21,0x08,0x21,0x08,0x3F,0xF8,0x21,0x08,0x01,0x02,0x01,0x02,0x00,0xFE,0x00,0x00},/*"电",2*/

{0x00,0x00,0x3F,0xF0,0x00,0x20,0x00,0x40,0x00,0x80,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x04,

0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x05,0x00,0x02,0x00},/*"子",3*/

};

// led_matrix_disp_test.cpp : Defines the entry point for the console application.

#include "stdafx.h"

#include "font.h"

int main(int argc, char* argv[])

{

char i = 0;

unsigned char ch_l = 0x0;

unsigned char ch_r = 0x0;

unsigned char row = 0x0; // 行

unsigned char col = 0x0; // 列

for(i=0;i<4;i++) // 四个汉字

{

for(row=0;row<16;row++) // 逐行打印

{

ch_l = HanZi[i][2*row]; // 字符左半边字模

ch_r = HanZi[i][2*row+1]; // 字符右半边字模

// 绘制左半边

for(col=0;col<8;col++)

{

if(ch_l&0x80)

printf("%d",1);

else

printf(" ");

ch_l = ch_l<<1;

}

// 绘制右半边

for(col=0;col<8;col++)

{

if(ch_r&0x80)

printf("%d",1);

else

printf(" ");

ch_r = ch_r<<1;

}

// 换行，开始绘制下一行

printf(" ");

}

return 0;

}

测试结果如下图所示：

这个测试程序采用的字模是从左至右、从上到下的方式获取的，这是因为要照顾到打印函数的特性，程序难度不大，此处不再逐句解释。后续我们设计的OLED驱动虽然和本程序有所区别，但思想上是相同的。

14.5 硬件搭建

本章的硬件电路与第三章基本一致，因此做好备份后，我们直接使用第三章的工程，对其进行一些细微的修改即可。

Step1：做好备份后，打开第三章的工程。

Step2:双击ZYNQ Processing System图标，对其进行一些修改。

Step3:展开MIO configuration-I/O peripherals-GPIO,将EMIO的数量改为6。

Step4：右键单击Block文件，文件选择Generate the Output Products。

Step5：右键单击Block文件，选择Create a HDL wrapper，根据Block文件内容产生一个HDL 的顶层文件，并选择让vivado自动完成。

Step6：修改约束文件，打开对应自己硬件的原理图，查看OLED部分引脚连接情况，此处以Miz702约束为例，其他型号用户对端口稍作修改即可。

#DC

set_property PACKAGE_PIN U10 [get_ports {emio_0_tri_io[0]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[0]}]

#RES

set_property PACKAGE_PIN U9 [get_ports {emio_0_tri_io[1]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[1]}]

#SCLK

set_property PACKAGE_PIN AB12 [get_ports {emio_0_tri_io[2]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[2]}]

#SDIN

set_property PACKAGE_PIN AA12 [get_ports {emio_0_tri_io[3]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[3]}]

#VBAT

set_property PACKAGE_PIN U11 [get_ports {emio_0_tri_io[4]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[4]}]

#VDD

set_property PACKAGE_PIN U12 [get_ports {emio_0_tri_io[5]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {emio_0_tri_io[5]}]

Miz701N用户因为只有四个OLED接口，但并不影响，只需要对应约束四个端口就可以。

Step7:生成bit文件。

14.6 导入到SDK

Step1:导出硬件。

Step2:选中第三章的main.c文件，右单击，选择Delete删除文件。

Step3:打开我们提供的源程序包，在第二季，第14章的文件夹中，将SDK所有的文件复制过来。

Step4:展开EMIO_Test,在Src下按Ctrl+V将所有文件粘贴过来。

Step5：右击工程，选择Debug as ->Debug configuration。

Step6：选中system Debugger,双击创建一个系统调试。

Step7：设置系统调试。

Step8:单击运行程序按钮运行程序，此时可在OLED上观察到滚动显示我们定义的字符。

14.7 本章小结

本次试验搭进行了OLED的驱动，可以用OLED方便的现实必要信息的现实，例如开发板的运行信息，时间信息等等。