基于C8051F020單片機的雙接口OLED控制器設計與實現(xiàn)

武春鋒 王永偉 王志乾 劉紹錦 劉玉生

關鍵詞： 有機電致發(fā)光二極管; C8051F020單片機; 控制器; SSD1309芯片; 雙接口; 判忙函數(shù)

中圖分類號： TN111?34; TP368.2 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0014?05

Design and implementation of dual?interface OLED controller based on C8051F020 SCM

WU Chunfeng1，2， WANG Yongwei3， WANG Zhiqian1， LIU Shaojin1， LIU Yusheng1，2

（1. Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China;

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 3. The Air Force's Military Representative Office in Changchun， Changchun 130033， China）

Abstract： A design and implementation scheme of the dual?interface OLED controller based on the C8051F020 single chip microcomputer （SCM） is proposed. A printed circuit board with two OLED interfaces is designed taking the C8051F020 as the core control unit. The busy judgment function is called during the writing process of the command function and data function， so as to ensure that the drive chip can receive control instructions when it is not busy. The transmission sequence of signals like chip selection， write enabling， parallel data is appropriately arranged， so as to satisfy the set up time and hold time of the address or data. The experimental results show that the two OLEDs can accurately display the reserved information， and have the advantages of high brightness， fast response speed， and wide viewing angle. The scheme has an ideal effect， and its dual?interface function can further expand its practicability and be transplanted in display terminals of relevant instruments and apparatus.

Keywords： OLED; C8051F020 SCM; controller; SSD1309 chip; dual interface; busy judgment function

有機電致發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED），又稱有機電致顯示，是一種較為新型的顯示技術[1]。與目前各類平板顯示技術相比，OLED具有亮度高、響應速度快、適應溫度范圍廣、易于制作在柔性襯底上等優(yōu)點[2?3]。本文基于C8051F020單片機設計的OLED控制器具有控制兩塊OLED顯示的功能[4]。利用Cadence制作控制器印刷電路板，在Silicon Laboratories IDE開發(fā)軟件中編寫驅動兩塊OLED顯示的程序[5]。隨后進行了板級調試和顯示實驗。兩塊OLED的型號分別為MCOB21605G1V?EWP和MCOT128032BX?WM，均為Midas公司產品。前者可以顯示2行，每行顯示16個字符，每個字符5列;后者可以顯示128列，32行;分別簡記為OLED1602和OLED128032。

1 ?控制器總體設計

雙接口OLED控制器結構如圖1所示，其由核心控制單元、電源管理單元、OLED1602和OLED128032顯示單元以及接口單元構成[6]。C8051F020與OLED的通信經(jīng)由接口完成。OLED1602和OLED128032的驅動芯片HD44780與SSD1309均由廠家集成在屏幕面板上，單片機按照一定的時序規(guī)則發(fā)出HD44780和SSD1309的控制信號，即可驅動兩塊OLED顯示。

2 ?硬件設計

2.1 ?核心控制單元

本設計以新華龍C8051F020單片機為主控制器。C8051F020是片內資源豐富的高速SoC單片機，有5個16位定時器/計數(shù)器、22個中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器，具有很高的執(zhí)行效率[7]。與標準8051結構相比，C8051F020的內核CIP?51采用流水線結構，指令執(zhí)行速度有了很大的提高[8?9]。在標準8051中，一條指令需要12個或24個時鐘周期，而對于CIP?51內核，大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為1或2個時鐘周期[10]。

針對本控制器，單片機I/O分配如下：P0口控制兩塊OLED使能、讀/寫、命令/數(shù)據(jù)選擇等;P4口連接OLED1602的8位雙向數(shù)據(jù)端口，指令/數(shù)據(jù)碼從P4口寫入HD44780，判忙信號通過P4.7被C8051F020讀取;P6.5和P6.6控制OLED128032與單片機的通信協(xié)議;P7口連接OLED128032的8位雙向數(shù)據(jù)端口，指令/數(shù)據(jù)碼從P7口寫入SSD1309。

2.2 ?電源管理單元

電源管理單元如圖2所示。為了滿足系統(tǒng)各單元不同的電源要求，電源管理單元分配如下：

1） 雙接口OLED控制器的系統(tǒng)輸入電壓為直流12 V，分別接至LM7805芯片的電壓輸入端和OLED128032接口的顯示電壓輸入端。

2） 使用LM7805芯片進行12 V到5 V轉換，將輸出的5 V電壓供給OLED1602和TPS73HD318芯片。

3） 使用TPS73HD318芯片進行5 V到3.3 V和1.8 V的轉換，將輸出的3.3 V和1.8 V電壓分別作為C8051F020的輸入電壓和OLED128032的邏輯輸入電壓。

2.3 ?OLED1602和OLED128032顯示單元

HD44780集成了顯示數(shù)據(jù)寄存器（Display Data RAM，DDRAM）、字符發(fā)生只讀存儲器（Character Generator ROM，CGROM）、字符發(fā)生讀寫存儲器（Character Generator RAM，CGRAM）。CGROM中固化了192個常用字符的字模，這些字模分別對應著一個字符代碼，例如：A字模的字符代碼即為其ASCII碼0x41。DDRAM寄存要顯示字模的字符代碼。若要顯示CGROM中沒有的字模，需自定義字模并寫入CGRAM中，然后將自定義字模的字符代碼寫入DDRAM中。CGRAM中最多寫入8個8 B的字模，字符代碼依次為0，1，…，7。

與HD44780不同的是，SSD1309沒有集成字符發(fā)生存儲器，顯示字符的必要條件是先自定義字模。OLED128032顯示字符的原理與OLED1602有所區(qū)別，它的32行被分成了4頁，每頁128列，每列有8個可發(fā)光點陣。用戶向某列寫入8位二進制數(shù)據(jù)即可控制點陣發(fā)光[11]。同理，向不同頁的多個列寫入數(shù)據(jù)即可顯示自定義的中英文、數(shù)字、圖形等字符。顯然，相比OLED1602，OLED128032的顯示效果更靈活多變。

2.4 ?OLED1602和C8051F020的接口單元

OLED1602與C8051F020的通信方式為并行方式。指令/數(shù)據(jù)選擇引腳RS、讀/寫引腳R/W、片選使能引腳E、8位雙向并行數(shù)據(jù)端口DB0～DB7分別接到單片機的P0.5，P0.6，P0.7，P4.0～P4.7口。OLED128032與微處理器的通信方式可通過BS1和BS2設置為I2C、串行或并行。本控制器設置OLED128032與C8051F020的通信為8位并行方式。復位引腳RES#、片選引腳CS#、指令/數(shù)據(jù)選擇引腳D/C#、讀引腳RD#、寫引腳W#、8位雙向并行數(shù)據(jù)端口D0～D7分別接到單片機的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P7.0～P7.7。

綜上所述，設計基于C8051F020的雙接口OLED控制器的印刷電路板。圖3是焊接元器件后的控制器。

3 ?軟件設計

基于上述硬件條件，在Silicon Laboratories IDE開發(fā)軟件中編寫驅動兩塊OLED顯示的程序。首先要初始化C8051F020，包括關看門狗、使用外部晶振、端口初始化等步驟[12]，然后編寫OLED1602的驅動程序，最后編寫OLED128032的驅動程序。

3.1 ?OLED1602軟件策略

3.1.1 ?OLED1602讀寫時序

對OLED1602的基本操作分為四種：讀狀態(tài)、讀數(shù)據(jù)、寫命令和寫數(shù)據(jù)。OLED1602的讀/寫操作時序如圖4所示。讀/寫時序中地址建立時間tSP1最小值和地址保持時間tHD1最小值分別為30 ns和10 ns;讀操作數(shù)據(jù)建立時間tD最大值為100 ns，數(shù)據(jù)保持時間tHD2最小值為20 ns;寫操作數(shù)據(jù)建立時間tSP2最小值為40 ns，數(shù)據(jù)保持時間tHD2最小值為10 ns。

C8051F020向HD44780發(fā)送寫命令和寫數(shù)據(jù)指令時，RS，R/W，E，DB[7：0]之間的時序應滿足圖4b）要求[13]。用示波器測量出寫命令函數(shù)中四者之間的時序如圖5所示。

由圖5a）、圖5b）知，地址建立時間[t′SP1]>500 ns，[t″SP1]>410 ns，地址保持時間[t′HD1]>100 ns，[t″HD1]>200 ns。由圖5c）知，寫操作數(shù)據(jù)建立時間[t′SP2]>100 ns，數(shù)據(jù)保持時間[t′HD2]>500 ns。滿足圖4時序要求。

3.1.2 ?判忙函數(shù)

C8051F020使用外部11.059 2 MHz晶振，時鐘周期約為90 ns。寫指令函數(shù)中，RS由高變低后，R/W由高變低。如圖5a）、圖5b）可知，[t′SP1]比[t″SP1]近似多90 ns，即前后兩指令有1個時鐘周期的延遲。然而HD44780的部分指令響應時間相比單片機是偏慢的，例如：控制顯示器開指令、顯示模式指令、設定CGRAM地址指令等的執(zhí)行時間為40 μs。只有當前指令執(zhí)行完畢，HD44780才可以接收下一條指令。HD44780的讀取忙信號指令可以有效地解決這個問題，當前指令未執(zhí)行完時，并行數(shù)據(jù)口的最高位DB7為高，即忙狀態(tài);否則DB7為低，可接收下條指令。

判忙函數(shù)通過讀取DB7的狀態(tài)來控制是否給HD44780發(fā)送新的指令。在寫命令函數(shù)和寫數(shù)據(jù)函數(shù)中調用判忙函數(shù)，以保證在HD44780不忙的時間發(fā)送相關時序。圖4a）讀操作數(shù)據(jù)建立時間tD最大值為100 ns，而HD44780讀取忙信號指令的執(zhí)行時間為40 μs。因此，只要在判忙函數(shù)中延時40 μs后讀取DB7的狀態(tài)，即可滿足要求。

3.1.3 ?OLED1602顯示控制流程

OLED1602的顯示控制流程歸納為：先初始化，然后顯示CGROM固化的字模，最后顯示自定義字符。清屏、光標歸位、顯示模式、開顯示等操作在初始化過程完成，可設置顯示模式為2行5[×]8點陣字符、顯示不移動、光標自動右移且不閃爍。

顯示CGROM固化的字模分為2個步驟：

1） 指定首個字模的顯示位置，每行最多顯示16個字符。若顯示第1行，需加上指令碼0x80;若顯示在第2行，需加上指令碼0xC0。

2） 將字符代碼寫入DDRAM中。英文字母、阿拉伯數(shù)字、常用標點的字符代碼即為其ASCII碼，通過鍵盤直接輸入即可。

顯示自定義字符可分為5個步驟：

1） 建立字模。

2） 指定寫入CGRAM的首個字模的地址，需加上指令碼0x40。例如：顯示5[×]8點陣字符，首個地址為0x40，則最多可寫入8個字模，每個字模包括8 B。

3） 將自定義的字模寫入CGRAM。

4） 指定首個字模的顯示位置，每行最多顯示16個字符。若顯示第1行，需加上指令碼0x80;若顯示在第2行，需加上指令碼0xC0。

5） 將字符代碼寫入DDRAM中。英文字母、阿拉伯數(shù)字、常用標點的字符代碼即為其ASCII碼，通過鍵盤直接輸入即可。自定義字模的字符代碼為0～7。

3.2 ?OLED128032軟件策略

3.2.1 ?OLED128032寫時序

對OLED128032的基本操作有寫命令和數(shù)據(jù)。寫時序如圖6所示。地址建立時間tAS最小值和地址保持時間tAH最小值分別為20 ns和0 ns;寫數(shù)據(jù)建立時間tDSW最小值和寫數(shù)據(jù)保持時間tDWH最小值為40 ns和15 ns。片選建立時間tCS最小值為0 ns。

C8051F020向SSD1309發(fā)送寫命令和寫數(shù)據(jù)時，RS，R/W，E，DB3之間的時序應滿足圖6要求。C8051F020的指令執(zhí)行時間約為90 ns，所以，合理控制CS#，D/C#，WR#以及D[7：0]的發(fā)送順序即可滿足時序要求。例如：在寫命令函數(shù)中，依次將D/C#，CS#，WR#由高變?yōu)榈?，即滿足圖6地址和數(shù)據(jù)建立時間的要求。

3.2.2 ?OLED128032顯示控制流程

OLED128032的顯示控制流程如圖7所示，首先進行初始化，設置列地址顯示順序和行掃描順序，清屏，開顯示等。向某個位置顯示一個自定義字節(jié)可分為3步：首先確定要顯示的頁，OLED128032共有4頁，向SSD1309寫入命令0xBx，x表示0～3頁;然后確定要顯示的列，需要向SSD1309連續(xù)寫2個字節(jié)0x1x和0x0y，x為列地址的高4位，y為列地址的低4位;最后直接寫入8位二進制數(shù)據(jù)即可。將所有字模寫入對應的列即可完整地顯示自定義字符。

4 ?實驗效果與評測

將驅動程序燒寫進C8051F020后，顯示效果如圖8所示。雙接口OLED控制器不但準確地顯示了預先設置的信息，而且亮度高、響應速度快。另外，實驗證明，用戶可從多個不同的角度觀察到清晰的顯示效果。可以將本文設計的雙接口OLED控制器移植到如圖9所示的某型號光電測量設備，取代原LCD顯示模塊。

5 ?結 ?語

本文設計并實現(xiàn)一種基于C8051F020單片機的雙接口OLED控制器。在軟件設計部分，通過引入判忙函數(shù)保證了驅動芯片在不忙狀態(tài)下接收控制指令，避免了單片機和OLED速度不匹配帶來的誤操作。為滿足地址/數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間的時序要求，在寫命令和寫數(shù)據(jù)函數(shù)中合理安排了CS#，D/C#，WR#以及D[7：0]等信號的發(fā)送順序。實驗證明，設計的控制器驅動兩塊OLED顯示效果理想。雙接口進一步拓展控制器的實用性，可將其移植于相關儀器儀表的顯示終端。

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