基于單片機(jī)的全彩OLED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)接口電路

傅 勇 ，張 雷，胡俊濤，呂國(guó)強(qiáng)，c

（合肥工業(yè)大學(xué)a.光電技術(shù)研究院 特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 特種顯示技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 省部共建現(xiàn)代顯示技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院；c.計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

OLED與薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）相比，具有響應(yīng)快、全彩色、自發(fā)光、視角寬、對(duì)比度高、低電壓、可實(shí)現(xiàn)柔性顯示等優(yōu)點(diǎn)，能更好地應(yīng)用于手機(jī)、MP3、小尺寸儀表盤(pán)等[1-4]。OLED顯示器以其卓越的顯示性能成為下一代平板顯示器[5]的一個(gè)強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種中小尺寸OLED，但配套的驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)[6]很少，筆者擬采用STC11L60XE單片機(jī)作為OLED顯示模塊CMEL CO283QGLD-T的主控制器，嘗試在SPI模式下實(shí)現(xiàn)OLED全彩靜態(tài)圖片顯示。

1 基于SPI的電路設(shè)計(jì)

1.1CMEL CO283QGLD-T顯示模塊

CMEL CO283QGLD-T顯示模塊是240×RGB×320點(diǎn)陣的2.8 in全彩OLED顯示模塊，集成了S6E63D6驅(qū)動(dòng)器[7]，圖1為S6E63D6的結(jié)構(gòu)框圖。S6E63D6是一款帶控制器的OLED驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片，最大可支持240×RGB×320點(diǎn)陣的圖形顯示，內(nèi)置容量為240×18×320位的圖像存儲(chǔ)器（GRAM），向GRAM中寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)65 k、260 k色圖片顯示。其具有四種可編程彩色顯示接口模式：18-/16-/9-/8-位并行接口模式、18-/16-/6-位的RGB接口模式、串行外圍設(shè)備接口（SPI）模式和高速串行接口（MDDI）模式。S6E63D6內(nèi)嵌DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，提供OLED模塊內(nèi)部像素驅(qū)動(dòng)電壓。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖片顯示需預(yù)存圖像數(shù)據(jù)，而單片機(jī)內(nèi)部程序空間有限（60 k），不適合存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，采用Flash存儲(chǔ)器作為圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)能有效地解決這一問(wèn)題。單片機(jī)只需讀取Flash存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)，再傳送到顯示模塊即可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖片顯示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)采用5 V直流供電，兩個(gè)電源模塊提供整個(gè)控制電路所需電壓和OLED顯示所需電壓，微控制器（MCU）模塊實(shí)現(xiàn)與OLED模塊和Flash存儲(chǔ)器的通信，并提供了在線編程接口和硬件復(fù)位接口，使用SPI協(xié)議[8]進(jìn)行串行通信。

1.2.1 電源模塊

電源模塊1輸出電壓3.3 V，為微控制器和接口電路供電。電源模塊2采用高效率開(kāi)關(guān)電源，為OLED顯示提供正常工作所需的VDD和VSS。鑒于OLED顯示屏對(duì)供電電壓變化極其敏感，而安森美生產(chǎn)的NCP5810芯片[9]輸出電壓精準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換率高、封裝尺寸?。?.00 mm×3.00 mm×0.55 mm），可提供1%電壓容差的精確反饋電壓且輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)好，作為OLED驅(qū)動(dòng)供電電源尤為合適。

1.2.2 微控制器

宏晶科技的STC11/10xx系列單片機(jī)[10]相比于傳統(tǒng)的89系列及2051系列單片機(jī)，成本更低，性能更強(qiáng)，故本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用STC11L60XE單片機(jī)作為微控制器。通過(guò)寄存器配置將單片機(jī)P3.0/RXD、P3.1/TXD設(shè)置為系統(tǒng)可編程（ISP）下載專(zhuān)用通信口。USB和串口轉(zhuǎn)換完成與用戶系統(tǒng)的USB連接，實(shí)現(xiàn)在用戶系統(tǒng)上調(diào)試和下載單片機(jī)程序。P4.7/RST引腳出廠時(shí)就被配置為復(fù)位引腳，外接復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。P3.4～P3.7預(yù)置為時(shí)鐘（SCK）、數(shù)據(jù)輸入端（SI）、數(shù)據(jù)輸出端（SO）、使能信號(hào)（CE），作為單片機(jī)與Flash存儲(chǔ)器的SPI接口，實(shí)現(xiàn)SPI串行通信。P2口部分引腳預(yù)置為時(shí)鐘線（CL）、片選信號(hào)（CSB）、數(shù)據(jù)輸出端（SDO）、數(shù)據(jù)輸入端（SDI），作為單片機(jī)與OLED顯示模塊的SPI接口，實(shí)現(xiàn)SPI串行通信。將P2.7預(yù)置為RE?SETB，用于控制整個(gè)OLED顯示模塊的復(fù)位。

1.2.3 SPI接口設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)中SPI接口部分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)與Flash存儲(chǔ)器的SPI通信接口和單片機(jī)與OLED顯示模塊的SPI通信接口。為了行文方便，約定單片機(jī)與Flash存儲(chǔ)器的SPI通信為SPI模式1，單片機(jī)與OLED顯示模塊的SPI通信為SPI模式2。在SPI模式2下單片機(jī)與OLED顯示模塊的連接采用接插件形式，更改接插件可實(shí)現(xiàn)不同尺寸OLED顯示模塊的硬件接口連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性。SPI模式1為四線制，包括CE，SCK，SI和SO；SPI模式 2也為四線制，包括 SCL，CSB，SDO，SDI。由于STC11L60XE單片機(jī)沒(méi)有硬件SPI接口，需設(shè)置單片機(jī)普通I/O口模擬SPI時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI模式1中Flash存儲(chǔ)器SST25VF020[11]的器件地址為43H，存儲(chǔ)范圍為000000H～03FFFFH；SPI模式2中OLED顯示模塊SPI模式下寫(xiě)指令起始地址為70H，寫(xiě)數(shù)據(jù)起始地址為72H。

2 軟件設(shè)計(jì)

顯示之前，預(yù)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)到Flash存儲(chǔ)器，主程序主要完成從Flash中讀取數(shù)據(jù)，然后在SPI方式下通過(guò)單片機(jī)I/O口向顯示模塊中的GRAM輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖片顯示。主程序軟件流程圖如圖3所示。主要功能包括：1）MCU初始化，設(shè)置單片機(jī)時(shí)鐘為外部輸入模式，設(shè)置ISP通信口和定時(shí)器，配置各個(gè)I/O口為數(shù)字口。軟件延時(shí)使能電源模塊2的正負(fù)壓輸出。2）SPI初始化，將SPI相關(guān)的片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)拉高，不產(chǎn)生通信。3）OLED初始化，先配置所需顯示制式時(shí)鐘模式和接口模式，再執(zhí)行清屏操作（寫(xiě)入數(shù)據(jù)0x0000），預(yù)定義圖片顯示范圍（行列起始地址），最后開(kāi)顯示（允許GRAM中數(shù)據(jù)顯示）。4）讀數(shù)據(jù)，單片機(jī)以SPI模式1從Flash存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)的位圖數(shù)據(jù)。5）數(shù)據(jù)寫(xiě)入GRAM，單片機(jī)從Flash存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)的同時(shí)以SPI模式2向GRAM中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，寫(xiě)滿后停止SPI通信，OLED模塊會(huì)自動(dòng)顯示GRAM中的圖像信息。

單片機(jī)模擬SPI模式1的時(shí)序需嚴(yán)格按照?qǐng)D4所示的讀寫(xiě)時(shí)序，任何時(shí)候讀寫(xiě)需先將片選CE拉低，在SCK的上升沿SI上數(shù)據(jù)寫(xiě)入，SCK下降沿SO上數(shù)據(jù)輸出。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)SO必須保持高阻狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)時(shí)SI狀態(tài)可任意。Flash存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為8位。

從Flash中讀取數(shù)據(jù)后，向GRAM中寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)OLED顯示，而向GRAM中寫(xiě)指令、寫(xiě)數(shù)據(jù)和讀狀態(tài)都是在SPI模式2下進(jìn)行的，所以顯示子程序關(guān)鍵是模擬實(shí)現(xiàn)SPI的讀、寫(xiě)時(shí)序。SPI模式2下寫(xiě)指令時(shí)序如圖5所示，初始化時(shí)將CSB，SCL和SDI都拉高，先寫(xiě)入器件地址，再寫(xiě)入相應(yīng)指令，指令格式為16位雙字節(jié)形式。寫(xiě)操作時(shí)需先將片選CSB拉低，在SCL上跳變時(shí)SDI上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，在SCL上升沿時(shí)SDI的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，結(jié)束時(shí)將SCL，SDI拉高，同時(shí)CSB置1。SPI模式2的寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序如圖6所示，數(shù)據(jù)格式為16位，每寫(xiě)一次數(shù)據(jù)都必須先發(fā)送一次8位器件地址，與寫(xiě)指令一樣，SCL上升沿時(shí)SDI的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定才能準(zhǔn)確寫(xiě)入。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CMEL CO283QGLD-T顯示模塊內(nèi)部GRAM只支持16位格式的圖像數(shù)據(jù)信息，需通過(guò)圖片轉(zhuǎn)換軟件將圖片信息轉(zhuǎn)化為8位寬度的位圖信息，存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中。軟件編程時(shí)需預(yù)先將數(shù)據(jù)格式從8位轉(zhuǎn)化為16位，然后在SPI模式2下逐位傳輸?shù)紾RAM中。圖7為SPI模式下的240×320的65 k色靜態(tài)圖片顯示效果，圖8為RGB（紅綠藍(lán)）三色圖片顯示效果，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器中還可存儲(chǔ)其他測(cè)試圖片用以顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于OLED顯示模塊CMEL CO283QGLD-T的全彩色靜態(tài)圖片顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，是一套通用的中小尺寸OLED驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)單片機(jī)預(yù)留了多個(gè)I/O口可作后續(xù)擴(kuò)展功能使用。通過(guò)與Flash存儲(chǔ)器的SPI通信解決了單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限、無(wú)法存放過(guò)多圖片問(wèn)題?？深A(yù)置多幅測(cè)試圖片到Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行循環(huán)顯示，供用戶進(jìn)行相應(yīng)的OLED顯示性能測(cè)試。

[1] XIE Z，HUNG L S，ZHU F.A flexible top-emitting organic light-emitting diode on steel foil[J].Chem.Phys.Lett.，2003，381（5-6）：691-696.

[2] 劉式墉，趙毅，李峰.有機(jī)電致發(fā)光與應(yīng)用進(jìn)展[J].物理學(xué)和高新技術(shù)，2003，22（5）：315-318.

[3] 蔣泉，成建波，何其銳，等.全彩OLED屏顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光電子·激光，2008，19（1）：26-30.

[4] JACQUES L，HUBERT G.Powering small AMOLED display in portable GSM systems[J].電子器件，2008，31（1）：7-11.

[5] 應(yīng)根裕，胡文波，邱勇，等.平板顯示技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[6] 李文明，荊海，馬凱.彩色AMOLED驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2007，22（5）：612-617.

[7] Samsung Semiconductors.S6E63D6 technical data[R].Beijing：Samsung Electronics Co.，Ltd.，2006.

[8] 楊美剛.SPI接口及其在數(shù)據(jù)交換中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2007，40（11）：385-387.

[9] ON Semiconductors.NCP5810 Technical Data[R].Phoenix，USA：ON Semiconductors，2007.

[10] 深圳宏晶科技有限公司.STC11/10xx系列單片機(jī)器件手冊(cè)[G].深圳：深圳宏晶科技有限公司，2011.

[11] Silicon Storage Technology Inc.SST25VF020 technical data[R].Arizona，USA：Silicon Storage Technology Inc.，2004.