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
| 0 0 | 8D A[7:0] | 1 * | 0 * | 0 0 | 0 1 | 1 0 | 1 A2 | 0 0 | 1 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。
14.4 点阵式OLED显示原理
14.4.1 OLED简介
OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。
LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示，OLED效果要来得好一些。OLED的尺寸难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。
14.4.2 点阵式显示设备显示原理
在数字世界中，所有数据归根结底都是以0和1的方式存在的。那么点阵式显示设备是如何将字符、汉字等信息显示出来的呢？抛开OLED这种高大上的词不谈，先来看一下最简单的点阵LED。如下图所示，要显示出图形，只要按照一定的方式点亮点阵上的一部分“点”就可以了，LED的亮和灭就对应着1和0。
OLED的显示原理在本质上是相同的，只不过是LED间的间隙很小，密度很大，从而显示效果也比上图中的点阵LED好很多。对于字符而言，这种表征了点阵开关状态的数据，被抽象成了一个术语，叫做字模。例如英文字符“A”和中文字符“你”的字模信息，如下面两幅图所示。
14.4.3 字模的获取
网络上有很多字模获取软件，笔者选用的是PCtoLCD2002。
点击选项，进入下图所示的参数设置界面，根据自己的需求进行参数设置。
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。