基于單片機的全彩OLED靜態顯示驅動接口電路

傅 勇 ，張 雷，胡俊濤，呂國強，c

（合肥工業大學a.光電技術研究院 特種顯示技術教育部重點實驗室 特種顯示技術國家工程實驗室 省部共建現代顯示技術國家重點實驗室；b.儀器科學與光電工程學院；c.計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

OLED與薄膜場效應晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）相比，具有響應快、全彩色、自發光、視角寬、對比度高、低電壓、可實現柔性顯示等優點，能更好地應用于手機、MP3、小尺寸儀表盤等[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]的一個強有力競爭者，目前市場上已出現多種中小尺寸OLED，但配套的驅動接口電路設計[6]很少，筆者擬采用STC11L60XE單片機作為OLED顯示模塊CMEL CO283QGLD-T的主控制器，嘗試在SPI模式下實現OLED全彩靜態圖片顯示。

1 基于SPI的電路設計

1.1CMEL CO283QGLD-T顯示模塊

CMEL CO283QGLD-T顯示模塊是240×RGB×320點陣的2.8 in全彩OLED顯示模塊，集成了S6E63D6驅動器[7]，圖1為S6E63D6的結構框圖。S6E63D6是一款帶控制器的OLED驅動專用芯片，最大可支持240×RGB×320點陣的圖形顯示，內置容量為240×18×320位的圖像存儲器（GRAM），向GRAM中寫入圖像數據可實現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、串行外圍設備接口（SPI）模式和高速串行接口（MDDI）模式。S6E63D6內嵌DC-DC電壓轉換器，提供OLED模塊內部像素驅動電壓。

1.2 硬件電路設計

實現靜態圖片顯示需預存圖像數據，而單片機內部程序空間有限（60 k），不適合存儲圖像數據，采用Flash存儲器作為圖像數據存儲區能有效地解決這一問題。單片機只需讀取Flash存儲器中的圖像數據，再傳送到顯示模塊即可實現靜態圖片顯示。系統硬件結構框圖如圖2所示，整個系統采用5 V直流供電，兩個電源模塊提供整個控制電路所需電壓和OLED顯示所需電壓，微控制器（MCU）模塊實現與OLED模塊和Flash存儲器的通信，并提供了在線編程接口和硬件復位接口，使用SPI協議[8]進行串行通信。

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采用高效率開關電源，為OLED顯示提供正常工作所需的VDD和VSS。鑒于OLED顯示屏對供電電壓變化極其敏感，而安森美生產的NCP5810芯片[9]輸出電壓精準、轉換率高、封裝尺寸小（3.00 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載瞬態響應好，作為OLED驅動供電電源尤為合適。

1.2.2 微控制器

宏晶科技的STC11/10xx系列單片機[10]相比于傳統的89系列及2051系列單片機，成本更低，性能更強，故本設計系統選用STC11L60XE單片機作為微控制器。通過寄存器配置將單片機P3.0/RXD、P3.1/TXD設置為系統可編程（ISP）下載專用通信口。USB和串口轉換完成與用戶系統的USB連接，實現在用戶系統上調試和下載單片機程序。P4.7/RST引腳出廠時就被配置為復位引腳，外接復位電路實現上電復位。P3.4～P3.7預置為時鐘（SCK）、數據輸入端（SI）、數據輸出端（SO）、使能信號（CE），作為單片機與Flash存儲器的SPI接口，實現SPI串行通信。P2口部分引腳預置為時鐘線（CL）、片選信號（CSB）、數據輸出端（SDO）、數據輸入端（SDI），作為單片機與OLED顯示模塊的SPI接口，實現SPI串行通信。將P2.7預置為RE?SETB，用于控制整個OLED顯示模塊的復位。

1.2.3 SPI接口設計

硬件系統中SPI接口部分為：單片機與Flash存儲器的SPI通信接口和單片機與OLED顯示模塊的SPI通信接口。為了行文方便，約定單片機與Flash存儲器的SPI通信為SPI模式1，單片機與OLED顯示模塊的SPI通信為SPI模式2。在SPI模式2下單片機與OLED顯示模塊的連接采用接插件形式，更改接插件可實現不同尺寸OLED顯示模塊的硬件接口連接，實現系統設計的通用性。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單片機沒有硬件SPI接口，需設置單片機普通I/O口模擬SPI時序進行數據通信。SPI模式1中Flash存儲器SST25VF020[11]的器件地址為43H，存儲范圍為000000H～03FFFFH；SPI模式2中OLED顯示模塊SPI模式下寫指令起始地址為70H，寫數據起始地址為72H。

2 軟件設計

顯示之前，預存儲圖像數據到Flash存儲器，主程序主要完成從Flash中讀取數據，然后在SPI方式下通過單片機I/O口向顯示模塊中的GRAM輸入數據實現靜態圖片顯示。主程序軟件流程圖如圖3所示。主要功能包括：1）MCU初始化，設置單片機時鐘為外部輸入模式，設置ISP通信口和定時器，配置各個I/O口為數字口。軟件延時使能電源模塊2的正負壓輸出。2）SPI初始化，將SPI相關的片選信號、時鐘信號和數據信號拉高，不產生通信。3）OLED初始化，先配置所需顯示制式時鐘模式和接口模式，再執行清屏操作（寫入數據0x0000），預定義圖片顯示范圍（行列起始地址），最后開顯示（允許GRAM中數據顯示）。4）讀數據，單片機以SPI模式1從Flash存儲器中讀取相應的位圖數據。5）數據寫入GRAM，單片機從Flash存儲器中讀數據的同時以SPI模式2向GRAM中寫入數據，寫滿后停止SPI通信，OLED模塊會自動顯示GRAM中的圖像信息。

單片機模擬SPI模式1的時序需嚴格按照圖4所示的讀寫時序，任何時候讀寫需先將片選CE拉低，在SCK的上升沿SI上數據寫入，SCK下降沿SO上數據輸出。寫數據時SO必須保持高阻狀態，讀數據時SI狀態可任意。Flash存儲器中數據存儲格式為8位。

從Flash中讀取數據后，向GRAM中寫入數據即可實現OLED顯示，而向GRAM中寫指令、寫數據和讀狀態都是在SPI模式2下進行的，所以顯示子程序關鍵是模擬實現SPI的讀、寫時序。SPI模式2下寫指令時序如圖5所示，初始化時將CSB，SCL和SDI都拉高，先寫入器件地址，再寫入相應指令，指令格式為16位雙字節形式。寫操作時需先將片選CSB拉低，在SCL上跳變時SDI上的數據寫入，在SCL上升沿時SDI的數據必須保持穩定，結束時將SCL，SDI拉高，同時CSB置1。SPI模式2的寫數據時序如圖6所示，數據格式為16位，每寫一次數據都必須先發送一次8位器件地址，與寫指令一樣，SCL上升沿時SDI的數據必須保持穩定才能準確寫入。

3 實驗結果

CMEL CO283QGLD-T顯示模塊內部GRAM只支持16位格式的圖像數據信息，需通過圖片轉換軟件將圖片信息轉化為8位寬度的位圖信息，存儲到Flash存儲器中。軟件編程時需預先將數據格式從8位轉化為16位，然后在SPI模式2下逐位傳輸到GRAM中。圖7為SPI模式下的240×320的65 k色靜態圖片顯示效果，圖8為RGB（紅綠藍）三色圖片顯示效果，Flash存儲器中還可存儲其他測試圖片用以顯示。

4 結語

本設計實現了一種基于OLED顯示模塊CMEL CO283QGLD-T的全彩色靜態圖片顯示系統。該系統設計簡單可靠，是一套通用的中小尺寸OLED驅動控制系統，同時單片機預留了多個I/O口可作后續擴展功能使用。通過與Flash存儲器的SPI通信解決了單片機內部存儲空間有限、無法存放過多圖片問題。可預置多幅測試圖片到Flash存儲器進行循環顯示，供用戶進行相應的OLED顯示性能測試。

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[10] 深圳宏晶科技有限公司.STC11/10xx系列單片機器件手冊[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.