基于Zynq的OLED驱动设计

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OLED具备自发光、不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。目前OLED的驱动大部分都是基于STM系列ARM芯片和传统FPGA芯片。为适应Xilinx最新平台Zynq的人机交互需要，提出一种基于Zynq的OLED驱动设计方法。文章阐述了OLED的特性和SPI控制方式，给出了设计流程和硬件电路图。利用Zynq的PL部分完成了OLED驱动的IP核，利用Zynq的PS部分实现了OLED的驱动程序设计。通过AXI总线实现PL和PS的通信。最后通过测试程序，实现了字母、数字和点阵图像的实时显示。解决了基于Zynq器件在广电仪器和电力仪表仪器中人机交互的工程技术，具有集成度高、可移植性强和通用性好等优点。
         
        1引言
       
        随着近几年嵌入式技术的飞速发展和广泛应用，人机交互成为嵌入式设备的迫切需要。为适应Xilinx最新平台Zynq的人机交互需要，提出一种基于Zynq的OLED驱动设计方法。
       
        有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）由于同时具备自发光、不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。
       
        Xilinx最新平台Zynq将处理器的软件可编程能力与FPGA的硬件可编程能力实现完美结合，以低功耗和低成本等系统优势实现良好的系统性能、灵活性和可扩展性。
       
        目前OLED的驱动大部分都是基于STM系列ARM芯片和传统FPGA芯片。在Zynq上，Xilinx提供了Linux演示实例，但无裸机源码，无法满足实时性比较强的工程实际需求。
       
        文章详细阐述了基于Zynq的OLED驱动设计步骤和方法，并且在基于Zynq的开发板ZedBoard上实现了实时显示字母、数字和点阵图像，为Zynq在仪器仪表领域实现人机交互提供了技术支撑。
       
        2 OLED驱动设计流程
       
        Zynq是一个ARMPS+PL结构，其中PL部分就是传统意义的FPGA，可以方便地定制相关外设IP，也可以进行相关的算法设计，和使用普通FPGA完全一样。如果不使用PL，Zynq的PS部分和普通的ARM开发一样。Zynq最大的特点是可以利用PL部分灵活地定制外设，挂在PS上，而普通的ARM，外设是固定的。因此，Zynq的硬件外设是不固定的，这也是Zynq灵活性的一个表现。OLED在Zynq上是连接在PL上，因此需要把OLED对应引脚挂在PS的硬件上，然后设计OLED IP核，再通过SDK设计驱动程序，OLED驱动设计流程如图1所示。
       
        ZedBozrd控制OLED的主要方法是：自行设计一个IP核，对OLED的6个控制信号和电源信号进行逻辑设计和引脚约束，通过AXI总线，把OLED的IP核和PS联系起来。在PS部分编写相应的驱动程序，即可实现对OLED的控制，如图2所示。

       
       
        图1 OLED驱动设计流程
       
        图2 OLED系统设计图

         
        因此，要实现OLED显示功能，主要做以下几个方面工作：设计Zynq硬件系统（PS部分）、设计自己的IP核和PS部分驱动程序设计。
       
        3建立Zynq硬件系统和OLED IP核
       
        Zynq的开发板ZedBoard上使用Inteltronic/Wisechip公司的OLED显示模组UG-2832HSWEG04，分辨率为128×32，是一款单色被动式显示屏，驱动电路采用所罗门科技的SSD1306芯片。具体电路如图3所示。根据原理图可知，ZedBoard开发板使用的OLED采用SPI方式控制，SPI模式使用的信号线和电源线有如下几条：
       
        RST（RES）：硬复位OLED；
       
        DC：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）；
       
        SCLK：串行时钟线；
       
        SDIN：串行数据线；
       
        VDD：逻辑电路电源；
       
        VBAT：DC/DC转换电路电源。
       
        在SPI模式下，每个数据长度均为8位，在SCLK的上升沿，数据从SDIN移入到SSD1306，并且是高位在前的。

       
       
        图3 OLED原理图

        Zynq的硬件系统是指在PL中配置相关外设，挂载到PS中，作为PS部分的外设使用。OLED驱动主要用到6个IO口，在生成硬件系统时，只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成最小硬件系统，然后把OLED的相关引脚添加到最小硬件系统中。主要过程如下：
         
        （1）根据芯片型号，根据XPS工具设计流程，生成Zynq的最小硬件系统。
       
        （2）在最小硬件系统中，添加外设IPmy_oled，把OLED的SPI引脚添加到工程中。添加一个6位寄存器，每位和SPI引脚对应。
       
        （3）my_oledIP核逻辑设计主要完成IP核引脚添加、端口映射和用户逻辑功能。首先要对设计的IP核添加引脚，在系统生成的MPD文件中，添加OLED的相关引脚端口和方向信息。
       
        在MPD文件中，在PORT下添加OLED的相关引脚和方向信息，具体代码如下：
       
        PORTDC=“”，DIR=O
       
        PORTRES=“”，DIR=O
       
        PORTSCLK=“”，DIR=O
       
        PORTSDIN=“”，DIR=O
       
        PORTVBAT=“”，DIR=O
       
        PORTVDD=“”，DIR=O
       
        （4）在系统生成的my_oled.vhd文件中，用VHDL语言进行端口设计，主要进行以下两个设计。
       
        声明IP和用户6个信号和电源的端口。代码如下：
       
        DC∶outstd_logic；
       
        RES∶outstd_logic；
       
        SCLK∶outstd_logic；
       
        SDIN∶outstd_logic；
       
        VBAT∶outstd_logic；
       
        VDD∶outstd_logic；
       
        将用户端口和IP核端口进行映射，代码如下：
       
        DC =>DC，
       
        RES =>RES，
       
        SCLK =>SCLK，
       
        SDIN =>SDIN，
       
        VBAT =>VBAT，
       
        VDD =>VDD，
       
        （5）在系统生成的user_logic.v文件中，用Verilog语言进行逻辑设计，实现寄存器和SPI对应端口连接并实时读取，主要代码如下。其中slv_reg0为IP核寄存器，tmp为用户定义临时寄存器，tmp的每一位和IP端口一一对应。实现把slv_reg0寄存器低6位实时传给tmp寄存器，通过对寄存器slv_reg0的写操作达到控制6个引脚的时序。
       
        always@（posedgeBus2IP_Clk）
       
        　　begin
       
        　　tmp<=slv_reg0[5:0];
       
        　　end
           
          4 OLED驱动程序设计
       
        由于ZedBoard开发板上的OLED使用的是SPI协议，并且只支持写，不支持读，因此控制OLED就是在SCLK的时钟下，通过SDIN进行命令和数据的传输。OLED的控制需要经过初始化、传数据和命令以及对显存设置等操作实现。
       
        4.1 初始化
       
        驱动IC的初始化代码，可以参考厂家推荐的设置，但需要根据开发板上OLED实际参数进行一些修改。
       
        根据SSD1306数据手册的初始化说明，具体步骤如图4所示。初始化的实现就是对SSD1306进行写命令。
         
           

       
        图4 SSD1306初始化步骤

        4.2 写数据和命令的实现
         
        在SCLK时钟下，根据要写入的数据或者命令，设置SDIN引脚的电平，一位一位地把数据写入SSD1306.SSD1306每次传送的命令和数据均为一个字节，传送数据和命令的区别是通过Set_OLED_DC宏，设置该函数为写数据，通过Clr_OLED_DC宏，设置该函数为写命令。实现一个字节的数据传输代码如下：
       
        　　for（i=0;i<8;i++）
       
        　　{
       
        　　Clr_OLED_SCLK;
       
        　　if（data&0x80）
       
        　　Set_OLED_SDIN;
       
        　　else
       
        　　Clr_OLED_SDIN;
       
        　　Set_OLED_SCLK;
       
        　　data《=1;
       
        　　}
       
        4.3 显存数据写入SSD1306存储器
       
        我们采用的办法是在PS的内部建立一个OLED的GRAM（共128个字节），在每次修改的时候，只是修改PS上的GRAM（实际上就是SRAM），在修改完之后，一次性把PS上的GRAM写入到OLED的GRAM.具体代码如下：
       
        　　voidOLED_Refresh_Gram（void）
       
        　　{
       
        　　u8i,n;
       
        　　for（i=0;i<4;i++）
       
        　　{
       
        　　write_cmd（0xb0+i）；//设置页地址
       
        　　write_cmd（0x00）；//设置显示位置-列低地址，偏移了2列
       
        　　write_cmd（0x10）；//设置显示位置-列高地址
       
        　　for（n=0;n<128;n++）write_data（OLED_GRAM[n]）；
       
        　　}
       
        　　}
       
        4.4 显示结果
       
        系统实现了OLED的字母、数字和点阵图形实时显示，如图5所示。
         
           

       
        图5 OLED运行结果
         

         
        5 结论
       
        系统采用可软硬件协同设计的Zynq器件，定制硬件IP核，采用传统ARM程序设计方法设计OLED驱动程序和测试程序，实现了实时显示。解决了基于Zynq器件在广电仪器和电力仪表仪器中人机交互的工程技术，具有集成度高、可移植性强和通用性好等优点。

李小路

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