采用C8051F023单片机的OLED显示方案设计

1 引言

有机电致发光显示，又称有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode, OLED）或有机发光显示器Organic Light Emitting Display（OLED），相较于目前市场上流行的液晶显示器（LCD）有明显的优势，主要表现为：自主发光（不需要背光源），无视角问题（视角可达170°以上），重量轻，厚度薄，亮度高，发光效率高，响应速度快（是液晶的1000倍），动态画面质量高，温度范围广（温度范围－40℃～80℃），低功耗，抗震能力强，制造成本低，可柔性显示。尤其适用于要求高亮度的仪表行业，以及条件要求更高的军工产品。与各方面已经发展成熟的LCD相比，OLED的发展还处于初级阶段，但随着以上这些优势的逐步实现，OLED将极有可能取代LCD在市场上的地位，OLED是被业界公认为最具发展前景的下一代显示器。

2 硬件结构设计

本文利用单片机C8051F023作为128×64单色OLED的控制核心器件，采用的是维信诺公司的一款屏VGG12864G，它利用Solomon公司的SSD1303为专用驱动IC。实现文字显示及图像的动静态显示。硬件整体设计结构框图如图1所示。



图 1 硬件设计结构框图

2.1 SSD1303 驱动及接口电路

VGG12864G模块的OLED显示屏为128列，64行结构。图2为SSD1303结构框图，显示了模块逻辑电路和接口电路的框图。用户只需要给接口提供电源、产生驱动指令信号和显示数据信号，就能点亮OLED屏。从图中可以看出，行、列驱动器的输出通过FPC邦定到OLED屏，剩下的MCU接口、电压和电流控制器需要是其专门设计的接口和驱动电路，模块的外部信号仅与SSD1303发生关系。所以了解了SSD1303的输入特性及指令系统，就能方便地使用本模块了。

SSD1303是晶门公司推出的驱动单色OLED的IC，采用TAB封装。这种基于CMOS工艺的驱动IC集成了行、列驱动器、振荡器、对比度控制器和图形数据存储器（GDDRAM），很大程度地减少了外围器件和功耗。可支持的最大分辨率为132×64，其中OLED屏底部132×16的点阵区域可以显示4色的局域色，并可编程实现64级灰度，当用于单色显示时，可编程控制256级对比度。根据所使用微处理器（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)串行三种通信接口模式。

控制命令通过MCU接口输入到控制命令解码器进行命令解码，然后输出时钟、行同步、场同步信号，从而控制OLED显示的振荡频率、显示器件的电压转换模块以及OLED显示内容的行列偏移量的驱动模块；如果是显示数据(128×64bits)，那么显示数据由控制电路通过MCU接口输入到GDDRAM缓存，然后通过局域色解码器对数据进行解码，最后将解码后的显示数据通过行列驱动器驱动OLED显示，OLED上呈现了稳定的显示效果。



图2 SSD1303结构框图

2.2 电源的设计

硬件结构设计框图如图2所示，外部硬件电路的DC-DC转换器用TPS7333芯片将5V电源转换成3.3V电源，并将输出的电源信号通过电压和电流控制器控制整个SSD1303的电压和电流。整个系统需要3.3V和12V的电源，MCU（本文采用C8051F023）需要提供3.3V的电源电压，OLED需要3.3V的逻辑电源电压和9～12V的驱动电源电压，此驱动电源电压由外部电源转换器电路提供。
2.3 各种控制信号

再就是关于如何用MCU控制，MCU通过RES#、CS#、D/C、WR#、RD#和D0～D7共13个接口控制SSD1303驱动IC，从而控制OLED显示屏。CS#为片选信号，当CS#接低电平时MCU才能与驱动IC通信；RES#是复位使能端，当接低电平时，所有控制寄存器均被设定为出厂时的默认状态，同时图像寄存器清零；D/C为数据/命令选择信号；WR#和RD#分别为写和读选择信号，当CS#为低时，在其下降沿读写有效。通过改变D/C、WR#和RD#三个接口的高低，单片机对OLED的控制有四种状态，可由表1显示出来。

表1 读写状态一览表

D/C	WR#	RD#	状态
0	0	1	写命令
0	1	0	读命令（“忙”检测）
1	0	1	写数据
1	1	0	读数据

2.4 读写的时序

只要按照VGG12864G的时序波形图进行读和写，即可完成OLED的显示。但是，通过软件编程拼时序的话，要考虑到许多时间参数，有一定的难度。为了使得数据和命令能够更容易的顺利读写，我们采用另外一种办法。如图1所示，将WR#和RD#分别接C8051F023的/WR和/RD，即P0.7和P0.6。在C语言编程时定义指针类型为xdata型，它是指向片外存储器的，通过给指针的赋值访问片外的数据存储区，当访问片外存储器时，/RD和/WR会在读和写时自动变低，同时P3端口为数据总线，非复用方式下，地址总线的高8位使用P1口，低8位使用P2口；复用方式下，地址总线高8位仍使用P1口，低8位和数据总线复用P3口，P2口就不会受到影响。所以最好设置成复用方式（EMIOCF.4=0），P2口就可以用来作别的输出端口，自由地控制RES#、CS#、DC。虽然不需要地址总线，但访问片外存储器时地址线会被使用，所以仍要避开。实验结果的时序波形图如图3所示。只要CS#为低时，在WR#（RD#）的下降沿写入（读出）数据或命令，即可有效地完成读写的工作。



图3 时序波形图