基于STC8F1K08S2 的串口驅(qū)動(dòng)OLED 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

任克強(qiáng)，王傳強(qiáng)

(江西理工大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

常用的顯示屏有LED、LCD、OLED 等[1－2]，小型OLED 屏幕以其顯示效果好、顯示質(zhì)量?jī)?yōu)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在小型嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[3－5]。OLED 屏幕的驅(qū)動(dòng)方式主要有8080 并口、IIC、SPI 等驅(qū)動(dòng)方式[6－8]。對(duì)于8080 并口驅(qū)動(dòng)方式，可使用高端處理器模擬8080接口時(shí)序或者使用帶有FSMC 接口的處理器完成驅(qū)動(dòng)；對(duì)于IIC 和SPI 驅(qū)動(dòng)方式，一些低端的處理器通過模擬時(shí)序也可以實(shí)現(xiàn)OLED 屏幕的驅(qū)動(dòng)，但增加了處理器的負(fù)擔(dān)，并且OLED 屏幕顯示的字符、漢字、圖片等信息都需要取模后寫入到內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中，需占用大量的內(nèi)存空間，對(duì)于內(nèi)存較小的處理器，很容易被占滿，導(dǎo)致處理器無法處理其他任務(wù)[9－10]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種串口控制的小型OLED 屏幕驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了低成本的MCU 方案，外擴(kuò)FLASH 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)16×16、24×24、32×32 三種尺寸的GB2312 中文字庫(kù)[11]；系統(tǒng)通過串口通道完成與外界的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)OLED 屏幕上數(shù)字、字符、漢字、圖像等信息的顯示；因此只需要具有串口功能的處理器或者通過IO 口模擬串口功能即可使用該系統(tǒng)，從而使得OLED 屏幕的使用得到簡(jiǎn)化，一般的處理器均可使用OLED屏幕，擴(kuò)展了OLED 屏幕的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的OLED 驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)主要由OLED屏幕、接口轉(zhuǎn)換電路、STC8F1K08S2 處理器和W25Q16 FLASH 存儲(chǔ)器組成。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

本文使用的STC8F1K08S2 處理器采用SOP16封裝，體積小，易于嵌入，不需要配合任何外圍電路即可使用；內(nèi)置晶振，頻率可選，最小5.529 6 MHz，最大27 MHz，本文選用22.118 4 MHz；處理器有14個(gè)IO 接口，內(nèi)置硬件SPI 電路，并使用內(nèi)置SPI 實(shí)現(xiàn)W25Q16 數(shù)據(jù)讀寫。本文將OLED 屏幕通過硬件接口轉(zhuǎn)換為SPI 驅(qū)動(dòng)接口，并使用處理器IO 模擬SPI 時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)OLED 的驅(qū)動(dòng)，之所以沒有使用硬件SPI，主要是避免2 個(gè)SPI 器件在驅(qū)動(dòng)中互相影響。

W25Q16 內(nèi)部Block 的內(nèi)存劃分如表1 所示。

表1 W25Q16 內(nèi)部Block 劃分

W25Q16 具有2 Mbyte 的FLASH 存儲(chǔ)空間，劃分為32 個(gè)Block，每個(gè)Block 有64 kbyte 空間[12]。在這些空間存儲(chǔ)了3 種尺寸 GB2312 字庫(kù):256 kbyte 的16×16 尺寸字庫(kù)、576 kbyte 的24×24 尺寸字庫(kù)、1 024 kbyte 的32×32 尺寸字庫(kù)。字庫(kù)在FLASH 中地址分配如表2 所示，根據(jù)字庫(kù)的存儲(chǔ)地址和字庫(kù)尺寸，可以計(jì)算出不同字的偏移地址，根據(jù)偏移地址可以讀取字庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

表2 字庫(kù)在FLASH 中地址分配

小型OLED 屏幕有0.42、0.49、0.91、0.96、1.3 寸等多種不同尺寸，都可以通過硬件轉(zhuǎn)換成SPI 驅(qū)動(dòng)方式與本系統(tǒng)連接。對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)IC 的OLED 屏幕，主要是屏幕的初始化不同，上層對(duì)屏幕的各種操作是相同的，因此可以根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)IC 調(diào)用不同初始化函數(shù)即可。本文采用0.96 寸驅(qū)動(dòng)IC 為SSD1306 和1.3 寸驅(qū)動(dòng)IC 為SH1106 兩種OLED 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)試。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。首先對(duì)系統(tǒng)和各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作，打開串口接收中斷，然后進(jìn)入系統(tǒng)控制部分，等待外部處理器發(fā)來的設(shè)置波特率指令，串口波特率控制指令如表3 所示，可通過發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制指令改變系統(tǒng)的波特率，從而可以適應(yīng)不同性能的處理器，波特率設(shè)置完成后，將該波特率保存并覆蓋原有的默認(rèn)波特率，系統(tǒng)初始默認(rèn)波特率為9 600 bit/s。為了防止用戶設(shè)置外部處理器波特率出現(xiàn)不一致情況，在OLED 上電后會(huì)在屏幕顯示5 s 當(dāng)前波特率。設(shè)置完波特率，等待串口接收來自外部的數(shù)據(jù)顯示和設(shè)置坐標(biāo)指令:0x01 代表接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，0x02 代表接收字符或者漢字?jǐn)?shù)據(jù)，0x03 代表接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)；坐標(biāo)軸為X軸和Y軸，X軸范圍0～127，Y軸范圍為0～7。通過指令對(duì)系統(tǒng)設(shè)置后，就開始接收來自外部處理器發(fā)來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)OLED 顯示相應(yīng)的內(nèi)容。

表3 串口波特率控制指令

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

2.1 FLASH 字庫(kù)讀寫

通過串口將字庫(kù)文件寫入W25Q16 FLASH 中，為了準(zhǔn)確判斷字庫(kù)文件是否成功地寫入到FLASH中，首先獲取各尺寸字庫(kù)的結(jié)束地址(即尾地址)，然后根據(jù)尾地址和存儲(chǔ)在W25Q16 中的首地址進(jìn)行計(jì)算可得各尺寸字庫(kù)在W25Q16 中的尾地址，字庫(kù)尾地址如表4 所示。在寫入過程中，串口每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)加1，通過地址對(duì)比，就可判斷字庫(kù)文件是否成功寫入。字庫(kù)寫入程序流程如圖3 所示，三種尺寸的字庫(kù)依次寫入，首先寫入16×16 的，從W25Q16 的0 地址開始寫，每寫入1 byte，地址數(shù)據(jù)加1，直到地址等于0x03FE41 完成16×16 字庫(kù)的寫入；然后設(shè)置偏移地址為 0x040000，并從0x040000 開始寫入24×24 字庫(kù)，每寫1 byte 地址加1，直到地址等于0x0CFC11 完成24×24 字庫(kù)寫入；最后設(shè)置偏移地址為0x0D0000，并從0x0D0000 開始寫入32×32 字庫(kù)，每寫1 byte 地址加1，直到地址等于0x1CF901 完成32×32 字庫(kù)寫入。

表4 字庫(kù)尾地址

圖3 字庫(kù)寫入程序流程圖

在GB2312 中將漢字劃分為94 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有94 個(gè)位，即區(qū)和位。通過漢字的區(qū)和位就可以確定一個(gè)漢字在字庫(kù)中的偏移地址，然后就可以確定漢字的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。一個(gè)漢字是由兩個(gè)擴(kuò)展的ASCII 碼表示，一個(gè)用來存放區(qū)碼，另一個(gè)用來存放位碼，也可以說漢字的高字節(jié)和低字節(jié)，并且在區(qū)碼和位碼上分別加上了32，因此可以通過式(1)、式(2)求出漢字的區(qū)碼和位碼。

計(jì)算出區(qū)碼和位碼，根據(jù)式(3)可獲取漢字在字庫(kù)中的偏移地址，然后通過訪問該偏移地址，即可獲取該地址中存放的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。

2.2 OLED 顯示驅(qū)動(dòng)

OLED 采用模擬4 線SPI 的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖4 所示。CS 在低電平時(shí)，芯片被選中，開始數(shù)據(jù)通信，在SCLK 低電平時(shí)，SDIN 作為信號(hào)線，而在每個(gè)SCLK 的上升沿，SDIN 會(huì)發(fā)出1 bit 數(shù)據(jù)，在每個(gè)周期發(fā)送8 bit 的數(shù)據(jù)，然后CS 拉高，完成一次數(shù)據(jù)通信。

圖4 OLED 4 線SPI 驅(qū)動(dòng)時(shí)序

整個(gè)OLED 上層驅(qū)動(dòng)主要包括波特率修改函數(shù)、顯示選擇函數(shù)、坐標(biāo)定位函數(shù)、字體選擇函數(shù)、數(shù)字顯示函數(shù)、字符漢字顯示函數(shù)、圖像顯示函數(shù)。上述函數(shù)的數(shù)據(jù)均讀取自串口接收的數(shù)據(jù)。由于GB2312 中的每個(gè)字符都占有2 byte，因此對(duì)于單字節(jié)的字符可調(diào)用處理器內(nèi)部的取模數(shù)據(jù)，漢字調(diào)用外部FLASH 字庫(kù)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在硬件方面，整個(gè)系統(tǒng)與市場(chǎng)上較流行的小型OLED 模塊相差無幾，兩者對(duì)比如圖5 所示，左邊為本文設(shè)計(jì)制作的OLED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，右邊為市場(chǎng)上較流行的小型OLED 模塊。

圖5 OLED 模塊對(duì)比圖

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的小型OLED 屏幕驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)的性能，通過控制OLED 驅(qū)動(dòng)顯示，并調(diào)整不同的波特率，對(duì)數(shù)字、字符、漢字、圖像進(jìn)行測(cè)試。

通過設(shè)定不同的坐標(biāo)值，將不同尺寸的數(shù)字、字符、漢字進(jìn)行顯示，顯示測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。通過測(cè)試，整體顯示效果流暢，漢字、字符、數(shù)字能準(zhǔn)確識(shí)別，顯示無亂碼現(xiàn)象，顯示位置可任意設(shè)置。

圖6 不同尺寸字體顯示測(cè)試

對(duì)圖像顯示進(jìn)行測(cè)試，將一幅圖像完整顯示在屏幕上，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。顯示一張圖片，一次讀取的數(shù)據(jù)較多，由于不同波特率下數(shù)據(jù)讀取速率不同，因此圖片顯示的流暢度存在差異，在9 600 bit/s及以上波特率顯示效果較為流暢，刷新速率較快。在9 600 bit/s 以下波特率，顯示刷新速度較慢，在對(duì)速度要求不高的低端處理器可使用。

圖7 圖像顯示測(cè)試

4 結(jié)論

OLED 屏幕被廣泛地應(yīng)用在小型嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、電子產(chǎn)品等，但OLED 屏幕的顯示內(nèi)容需采用取字模的方式，很容易使得內(nèi)存被占滿或溢出，并且OLED 屏幕的驅(qū)動(dòng)也具有一定的復(fù)雜度。為方便用戶使用OLED 屏幕，本文采用MCU 控制方案，外加FLASH 芯片，通過串口對(duì)OLED 屏幕進(jìn)行控制；可使用多種處理器通過串口或者模擬串口的方式進(jìn)行OLED 屏幕驅(qū)動(dòng)；本系統(tǒng)加入了3 種漢字字庫(kù)，大量節(jié)約了處理器的程序存儲(chǔ)空間；所有驅(qū)動(dòng)都已載入本系統(tǒng)，用戶不需考慮OLED 屏幕的驅(qū)動(dòng)問題，只需通過串口發(fā)送指令數(shù)據(jù)即可完成驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了OLED 屏幕的驅(qū)動(dòng)使用。針對(duì)不同性能的處理器，可調(diào)節(jié)波特率，以適應(yīng)不同處理器性能。由于使用串口通信，也可以使用藍(lán)牙等串口無線通信模塊，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，拓展了OLED 的應(yīng)用場(chǎng)景和適應(yīng)范圍。經(jīng)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可在不同波特率下正確接收串口指令和數(shù)據(jù)，能夠正常顯示數(shù)字、字符、漢字和圖像，顯示效果流暢，能夠較好地滿足各種OLED 屏幕的顯示需求。