在電子設(shè)備的顯示領(lǐng)域，OLED 顯示屏憑借其出色的顯示效果和低功耗等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。本文將聚焦于兩種不同尺寸的 OLED 顯示屏 ——0.96 寸和 0.91 寸，它們均采用 4 引腳 I2C 接口，這種接口在數(shù)據(jù)傳輸和控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
值得一提的是，經(jīng)過項(xiàng)目測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文所介紹的驅(qū)動(dòng)方式和代碼也完全適用于 1.54 寸 SSD1309 主控的 1.54 寸 OLED 和 1.29 寸 CH1115 主控的 OLED 屏。如果需要更大的屏幕可以選用這兩款，但是他們的分辨率仍然是 126*64，只是顯示的字體和圖案可以更大。
0.96 英寸 OLED 顯示屏工作電壓范圍為 3.3 - 5V，內(nèi)置 3.3V LDO，其 I2C 通信接口電平為 3.3V。像素點(diǎn)陣規(guī)模達(dá)到 128x64，意味著共有 8192 顆 LED 參與顯示，驅(qū)動(dòng) IC 采用 SSD1306。而 0.91 英寸 OLED 顯示屏同樣工作在 3.3 - 5V 電壓下，內(nèi)置 3.3V LDO，I2C 通信接口電平也是 3.3V，不過其像素點(diǎn)陣規(guī)模為 128x32，僅有 4096 顆 LED，驅(qū)動(dòng) IC 同樣為 SSD1306。由此可見，0.91 英寸的像素點(diǎn)規(guī)模只有 0.96 英寸的一半，除此之外其余參數(shù)基本相同。接下來將主要介紹 0.96 英寸顯示屏的使用方法。
該 OLED 顯示屏的接口定義清晰明確。VCC 為模塊電源正，可接入 3.3 - 5V 電源；GND 是模塊電源地；SCL 為模塊 I2C 總線時(shí)鐘信號(hào)；SDA 則是模塊 I2C 總線數(shù)據(jù)信號(hào)。在硬件設(shè)計(jì)方面，模塊內(nèi)置了型號(hào)為 662K 的 3.3V LDO，因此支持 3.3 - 5V 供電。同時(shí)，模塊已經(jīng)板載了 SCL 和 SDA 線的上拉電阻，且上拉到了 3.3V。如果單片機(jī)是 5V 的，只要將 IO 配置為開漏輸出，就可以直接接入到模塊，不過需要注意的是，3.3V 能否被 5V 單片機(jī)識(shí)別為高電平，這需要查看單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，一般情況下是沒有問題的。此外，當(dāng)其他 I2C 從機(jī)掛接到同一個(gè) I2C 總線時(shí)，無需再外接 I2C 總線的上拉電阻。模塊的 I2C 從機(jī)地址為：0111 10 [SA0] [RW]，其中 SA0 是硬件地址選擇位，當(dāng) SA0 接高電平時(shí)，地址中的 SA0 就是 1，當(dāng) SA0 接低電平時(shí)，地址中的 SA0 就是 0。模塊出廠的時(shí)候，一般 SA0 是接的低電平，用戶可以自己動(dòng)手修改模塊后面的電阻來改變 SA0 為高電平，這也意味著，同一個(gè) I2C 總線多支持掛接 2 個(gè) OLED 模塊。
在 SSD1306 的 I2C 協(xié)議中，控制字節(jié)起著關(guān)鍵作用，其控制位的格式為：[Co][D/C#][000000]。在發(fā)送指令字節(jié)或者數(shù)據(jù)字節(jié)前，需要先發(fā)送一個(gè)控制字節(jié)，通過控制字節(jié)中的 D/C# 位，來告訴 SSD1306，接下來發(fā)送的一個(gè)字節(jié)是指令還是數(shù)據(jù)。這里我們先不考慮控制字節(jié)中 Co 位的作用，這樣就可以編寫出發(fā)送單個(gè)字節(jié)的指令和單個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的函數(shù)。發(fā)送單個(gè)字節(jié)指令的流程為：起始信號(hào)【從機(jī)地址，ACK】【控制字節(jié)，ACK】【單字節(jié)的指令，ACK】結(jié)束信號(hào)；發(fā)送單個(gè)字節(jié)顯存數(shù)據(jù)的流程為：起始信號(hào)【從機(jī)地址，ACK】【控制字節(jié)，ACK】【單字節(jié)的數(shù)據(jù)，ACK】結(jié)束信號(hào)。然而，每次發(fā)送一個(gè)指令或者數(shù)據(jù)字節(jié)，都要開啟完整的 I2C 通信時(shí)序流程，會(huì)造成大量的通信時(shí)間浪費(fèi)，特別是在快速刷屏的時(shí)候。為了提高效率，當(dāng)控制字節(jié)中 Co = 0，且 D/C# = 1 時(shí)，則接下來可以連續(xù)發(fā)送任意多個(gè)顯存數(shù)據(jù)字節(jié)，直到產(chǎn)生停止信號(hào)。通過在 0.91 英寸 OLED 屏幕上測(cè)試發(fā)現(xiàn)，使用 150KHz I2C 總線，刷完一幀屏幕，使用單個(gè)發(fā)送字節(jié)顯存數(shù)據(jù)函數(shù)需要大約 100ms，而使用性發(fā)送多個(gè)顯存數(shù)據(jù)的函數(shù)則只需要大約 33ms，速度提升非常明顯。
理解 SSD1306 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的指令集對(duì)于正確驅(qū)動(dòng) OLED 顯示屏至關(guān)重要。以截取的 3 條指令為例，指令 A 用于設(shè)置頁(yè)地址，它由連續(xù)的 3 個(gè)字節(jié)組成，個(gè)字節(jié) 0x22 代表指令碼，用于標(biāo)識(shí)指令功能本身，后面的兩個(gè)字節(jié) A [2:0] 和 B [2:0] 則是兩個(gè)指令參數(shù)，指令參數(shù)是指令運(yùn)行時(shí)所需的參數(shù)數(shù)據(jù)。指令 B 比較特殊，它將指令碼和指令參數(shù)融合為了一個(gè)字節(jié)，高位部分固定為 [10110]，低位部分 [X2,X1,X0] 則用于編碼指令參數(shù)。指令 C 只有一個(gè)固定的指令碼，沒有指令參數(shù)，類似于 C 語(yǔ)言中的無參數(shù)函數(shù)。表格的列 D/C#，用于告訴我們，發(fā)送對(duì)應(yīng)的字節(jié)時(shí)，需要將 D/C# 位設(shè)置為 0 還是 1。D/C# = 0 代表發(fā)送的是指令性相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些字節(jié)數(shù)據(jù)被 SSD1306 接收并解析，主要用于改變屏幕的工作參數(shù)；D/C# = 1 代表發(fā)送的是顯示數(shù)據(jù)字節(jié)，這些字節(jié)將被寫入到 SSD1306 的顯存 GDDRAM 中作為顯示數(shù)據(jù)使用。
驅(qū)動(dòng)芯片 SSD1306 帶有一個(gè) 128x64 bit 大小的 GDDRAM，用于存放顯示數(shù)據(jù)，也就是所謂的顯存。顯存中的數(shù)據(jù)與顯示內(nèi)容是息息相關(guān)的，具體來說，顯存中的每一個(gè) bit 對(duì)應(yīng)一顆像素點(diǎn)，如果顯存中的某個(gè) bit 為 1，則它對(duì)應(yīng)的那顆像素 LED 被點(diǎn)亮，否則是熄滅的。GDDRAM 支持 3 種內(nèi)存尋址模式，分別為頁(yè)尋址模式、水平尋址模式和垂直尋址模式，其中頁(yè)尋址模式為常用。當(dāng)使用頁(yè)尋址模式時(shí)，GDDRAM 被劃分為 8 個(gè)頁(yè)：PAGE0 - PAGE7，每個(gè)頁(yè)由 128 個(gè)字節(jié)組成。通過單片機(jī)向 GDDRAM 中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要指定 2 個(gè)地址：頁(yè)地址和列地址，這樣才能定位到 GDDRAM 中的一個(gè)的字節(jié)存儲(chǔ)單元。在頁(yè)尋址模式下，每次寫入一個(gè)字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)，列地址自動(dòng)增 1。當(dāng)列地址超過 127 時(shí)，會(huì)自動(dòng)回歸到 0，但頁(yè)指針不會(huì)改變，除非使用指令重新設(shè)置指向其他的頁(yè)。設(shè)置頁(yè)地址和列地址需要通過查看 SSD1306 的指令表，其中列地址需要拆成 2 部分寫入，用條指令發(fā)送列地址值的低 4bit 部分，用第二條指令發(fā)送列地址值的高 4bit 部分。配置尋址模式為頁(yè)尋址模式時(shí)，先發(fā)送指令碼 0x20，來告訴屏幕要現(xiàn)在要設(shè)置內(nèi)存尋址模式，然后發(fā)送指令參數(shù)：0x00 水平地址模式，0x01 垂直模式，0x02 頁(yè)地址模式。芯片復(fù)位后默認(rèn)就是頁(yè)尋址模式。
在 OLED 顯示屏上顯示圖片和漢字，需要借助 Pctolcd2002 這款取模軟件。以顯示圖片為例，首先要準(zhǔn)備一張尺寸與 OLED 屏顯示需求同等比例的圖片，例如要在 0.96 英寸 OLED 上顯示一張 128 寬，64 高的圖片，則準(zhǔn)備一張 378x189 的意法半導(dǎo)體 logo 圖片。用 Windows 自帶的畫圖軟件打開它，調(diào)整大小為想要的像素規(guī)模，然后保存為 BMP 格式。接著打開 Pctolcd2002 軟件，將菜單欄【模式】修改為圖形模式，通過【文件】【打開】選中上一步生成的 BMP 圖像。點(diǎn)擊工具欄的【齒輪】按鈕，在彈出的界面中按照特定要求進(jìn)行配置，配置完成后點(diǎn)擊【確定】返回主界面。在主界面中，若生成的點(diǎn)陣預(yù)覽圖有細(xì)節(jié)瑕疵，可以使用鼠標(biāo)進(jìn)行修補(bǔ)，左鍵增加一個(gè)像素，右鍵取消一個(gè)像素。點(diǎn)擊主界面右下角的【生成子?！堪粹o，即可輸出子模字節(jié)數(shù)據(jù)。將這個(gè)子模數(shù)據(jù)以一維字節(jié)數(shù)組的形式定義在 C 程序中，就可以使用了。由于【取模方式】用的是【列行式】，對(duì)于頁(yè)尋址模式非常方便。顯示漢字時(shí)，打開 Pctolcd2002 軟件，將菜單欄【模式】修改為字符模式，【選擇字體】，設(shè)置【字寬和字高】。在下方輸入需要取模的漢字，然后點(diǎn)擊【生成字?！俊?shí)際使用過程中，為了達(dá)到比較好的顯示效果，漢字一般使用 16x16 寬和高。Pctolcd2002 軟件把每一個(gè)漢字當(dāng)做一個(gè)基本的圖像來進(jìn)行取模，且按照輸入的文字依次進(jìn)行取模。在顯示漢字的時(shí)候，要先按順序顯示每個(gè)字的上半部分，然后換到下一個(gè) page，再按順序顯示每個(gè)字的下半部分。
不同尺寸的 OLED 顯示屏在初始化序列上略有差異。對(duì)于 0.96 寸 IIC 接口 OLED，初始化時(shí)首先要初始化驅(qū)動(dòng) I2C 總線的引腳，延時(shí) 200ms 等待 OLED 穩(wěn)定。然后依次發(fā)送一系列指令，如關(guān)閉顯示、設(shè)置列地址、頁(yè)地址、對(duì)比度控制、掃描方向等參數(shù)，開啟電荷泵并打開 OLED 面板，同時(shí)清除屏幕顯示。而 0.91 寸 IIC 接口 OLED 的初始化過程類似，但部分指令參數(shù)有所不同，同樣需要初始化 I2C 總線引腳，延時(shí)等待穩(wěn)定后，發(fā)送相應(yīng)的指令來配置屏幕的工作參數(shù)，打開顯示并清除屏幕。
通過以上對(duì) OLED 顯示屏 I2C 接口的詳細(xì)介紹，我們可以全面了解其從硬件設(shè)計(jì)到軟件編程，再到圖片和漢字顯示的整個(gè)過程，為在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用 OLED 顯示屏提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：I2C 接口
