基于STC8F1K08S2 的串口驅動OLED 顯示系統設計*

任克強，王傳強

(江西理工大學信息工程學院，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、顯示質量優、價格便宜等特點，被廣泛地應用在小型嵌入式系統、單片機系統、電子產品等領域[3－5]。OLED 屏幕的驅動方式主要有8080 并口、IIC、SPI 等驅動方式[6－8]。對于8080 并口驅動方式，可使用高端處理器模擬8080接口時序或者使用帶有FSMC 接口的處理器完成驅動；對于IIC 和SPI 驅動方式，一些低端的處理器通過模擬時序也可以實現OLED 屏幕的驅動，但增加了處理器的負擔，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部程序存儲器中，需占用大量的內存空間，對于內存較小的處理器，很容易被占滿，導致處理器無法處理其他任務[9－10]。

針對上述問題，本文設計了一種串口控制的小型OLED 屏幕驅動顯示系統。該系統采用了低成本的MCU 方案，外擴FLASH 存儲器用于存儲16×16、24×24、32×32 三種尺寸的GB2312 中文字庫[11]；系統通過串口通道完成與外界的數據交換，實現OLED 屏幕上數字、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，從而使得OLED 屏幕的使用得到簡化，一般的處理器均可使用OLED屏幕，擴展了OLED 屏幕的適應性和應用范圍。

1 系統硬件設計

本文設計的OLED 驅動顯示系統主要由OLED屏幕、接口轉換電路、STC8F1K08S2 處理器和W25Q16 FLASH 存儲器組成。系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

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IO 接口，內置硬件SPI 電路，并使用內置SPI 實現W25Q16 數據讀寫。本文將OLED 屏幕通過硬件接口轉換為SPI 驅動接口，并使用處理器IO 模擬SPI 時序實現對OLED 的驅動，之所以沒有使用硬件SPI，主要是避免2 個SPI 器件在驅動中互相影響。

W25Q16 內部Block 的內存劃分如表1 所示。

表1 W25Q16 內部Block 劃分

W25Q16 具有2 Mbyte 的FLASH 存儲空間，劃分為32 個Block，每個Block 有64 kbyte 空間[12]。在這些空間存儲了3 種尺寸 GB2312 字庫:256 kbyte 的16×16 尺寸字庫、576 kbyte 的24×24 尺寸字庫、1 024 kbyte 的32×32 尺寸字庫。字庫在FLASH 中地址分配如表2 所示，根據字庫的存儲地址和字庫尺寸，可以計算出不同字的偏移地址，根據偏移地址可以讀取字庫數據進行顯示。

表2 字庫在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，都可以通過硬件轉換成SPI 驅動方式與本系統連接。對于不同驅動IC 的OLED 屏幕，主要是屏幕的初始化不同，上層對屏幕的各種操作是相同的，因此可以根據不同驅動IC 調用不同初始化函數即可。本文采用0.96 寸驅動IC 為SSD1306 和1.3 寸驅動IC 為SH1106 兩種OLED 進行驅動測試。

2 系統軟件設計

系統軟件流程如圖2 所示。首先對系統和各個模塊進行初始化操作，打開串口接收中斷，然后進入系統控制部分，等待外部處理器發來的設置波特率指令，串口波特率控制指令如表3 所示，可通過發送對應的控制指令改變系統的波特率，從而可以適應不同性能的處理器，波特率設置完成后，將該波特率保存并覆蓋原有的默認波特率，系統初始默認波特率為9 600 bit/s。為了防止用戶設置外部處理器波特率出現不一致情況，在OLED 上電后會在屏幕顯示5 s 當前波特率。設置完波特率，等待串口接收來自外部的數據顯示和設置坐標指令:0x01 代表接收數字數據，0x02 代表接收字符或者漢字數據，0x03 代表接收圖像數據；坐標軸為X軸和Y軸，X軸范圍0～127，Y軸范圍為0～7。通過指令對系統設置后，就開始接收來自外部處理器發來的數據，驅動OLED 顯示相應的內容。

表3 串口波特率控制指令

圖2 系統軟件流程圖

2.1 FLASH 字庫讀寫

通過串口將字庫文件寫入W25Q16 FLASH 中，為了準確判斷字庫文件是否成功地寫入到FLASH中，首先獲取各尺寸字庫的結束地址(即尾地址)，然后根據尾地址和存儲在W25Q16 中的首地址進行計算可得各尺寸字庫在W25Q16 中的尾地址，字庫尾地址如表4 所示。在寫入過程中，串口每接收到一個數據，地址自動加1，通過地址對比，就可判斷字庫文件是否成功寫入。字庫寫入程序流程如圖3 所示，三種尺寸的字庫依次寫入，首先寫入16×16 的，從W25Q16 的0 地址開始寫，每寫入1 byte，地址數據加1，直到地址等于0x03FE41 完成16×16 字庫的寫入；然后設置偏移地址為 0x040000，并從0x040000 開始寫入24×24 字庫，每寫1 byte 地址加1，直到地址等于0x0CFC11 完成24×24 字庫寫入；最后設置偏移地址為0x0D0000，并從0x0D0000 開始寫入32×32 字庫，每寫1 byte 地址加1，直到地址等于0x1CF901 完成32×32 字庫寫入。

表4 字庫尾地址

圖3 字庫寫入程序流程圖

在GB2312 中將漢字劃分為94 個區，每個區有94 個位，即區和位。通過漢字的區和位就可以確定一個漢字在字庫中的偏移地址，然后就可以確定漢字的點陣數據。一個漢字是由兩個擴展的ASCII 碼表示，一個用來存放區碼，另一個用來存放位碼，也可以說漢字的高字節和低字節，并且在區碼和位碼上分別加上了32，因此可以通過式(1)、式(2)求出漢字的區碼和位碼。

計算出區碼和位碼，根據式(3)可獲取漢字在字庫中的偏移地址，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陣數據。

2.2 OLED 顯示驅動

OLED 采用模擬4 線SPI 的方式進行驅動，驅動時序如圖4 所示。CS 在低電平時，芯片被選中，開始數據通信，在SCLK 低電平時，SDIN 作為信號線，而在每個SCLK 的上升沿，SDIN 會發出1 bit 數據，在每個周期發送8 bit 的數據，然后CS 拉高，完成一次數據通信。

圖4 OLED 4 線SPI 驅動時序

整個OLED 上層驅動主要包括波特率修改函數、顯示選擇函數、坐標定位函數、字體選擇函數、數字顯示函數、字符漢字顯示函數、圖像顯示函數。上述函數的數據均讀取自串口接收的數據。由于GB2312 中的每個字符都占有2 byte，因此對于單字節的字符可調用處理器內部的取模數據，漢字調用外部FLASH 字庫數據。

3 系統測試

在硬件方面，整個系統與市場上較流行的小型OLED 模塊相差無幾，兩者對比如圖5 所示，左邊為本文設計制作的OLED 驅動系統，右邊為市場上較流行的小型OLED 模塊。

圖5 OLED 模塊對比圖

為了測試本文設計的小型OLED 屏幕驅動顯示系統的性能，通過控制OLED 驅動顯示，并調整不同的波特率，對數字、字符、漢字、圖像進行測試。

通過設定不同的坐標值，將不同尺寸的數字、字符、漢字進行顯示，顯示測試結果如圖6 所示。通過測試，整體顯示效果流暢，漢字、字符、數字能準確識別，顯示無亂碼現象，顯示位置可任意設置。

圖6 不同尺寸字體顯示測試

對圖像顯示進行測試，將一幅圖像完整顯示在屏幕上，測試結果如圖7 所示。顯示一張圖片，一次讀取的數據較多，由于不同波特率下數據讀取速率不同，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，在對速度要求不高的低端處理器可使用。

圖7 圖像顯示測試

4 結論

OLED 屏幕被廣泛地應用在小型嵌入式系統、單片機系統、電子產品等，但OLED 屏幕的顯示內容需采用取字模的方式，很容易使得內存被占滿或溢出，并且OLED 屏幕的驅動也具有一定的復雜度。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OLED 屏幕進行控制；可使用多種處理器通過串口或者模擬串口的方式進行OLED 屏幕驅動；本系統加入了3 種漢字字庫，大量節約了處理器的程序存儲空間；所有驅動都已載入本系統，用戶不需考慮OLED 屏幕的驅動問題，只需通過串口發送指令數據即可完成驅動，簡化了OLED 屏幕的驅動使用。針對不同性能的處理器，可調節波特率，以適應不同處理器性能。由于使用串口通信，也可以使用藍牙等串口無線通信模塊，進行無線數據傳輸，拓展了OLED 的應用場景和適應范圍。經測試整個系統運行穩定可靠，可在不同波特率下正確接收串口指令和數據，能夠正常顯示數字、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。