智能型OLED驅動芯片的設計與研究

摘 要：本設計以ACTEL公司生產的SmartFusion芯片作為功能樣片研制的載體，把FPGA和MPU分別完成的功能統一集成到一片芯片中，實現中小尺寸彩色OLED復雜的控制接口到簡單接口的轉換，并集成自定義的操作指令，最終留給用戶一個RS232串口和固定的指令字符串，用戶只要通過串口發送相應的指令即可實現對復雜OLED顯示模塊的操作。

關鍵詞：OLED；驅動芯片；單片方案；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 18-0000-05

有機發光二極管顯示面板（Organic Light-Emitting Diode；OLED），又稱為有機電致發光顯示器（Organic Electroluminesence；OEL）是一門相當年輕的顯示技術。它利用有機半導體材料和發光材料在電流驅動下發光來實現顯示。OLED與LCD相比有很多優點：超輕、超薄、高亮度、大視角、像素自身發光、低功耗、快響應、高清晰度、低發熱量、優異的抗震性能、低制造成本、可彎曲等，被業界普遍認為是最具有發展前途的新一代顯示技術。 隨著OLED研究開發的進展，OLED已經進入了產業化的萌動期。

現階段OLED顯示模塊從顯示色彩上主要分為兩種：一是單色OLED顯示模塊，二是彩色OLED顯示模塊。從與MPU的接口上分有如下幾種：SPI接口，I2C接口、并行接口，HV接口等。其中SPI接口，I2C接口、并行接口主要應用于單色OLED顯示模塊中，MPU比較容易與之接口和控制，而彩色OLED主要采用并行接口，小尺寸的OLED全彩顯示模塊采用16位的8080時序或6800時序與MPU接口，相對而言也是比較容易控制與操作的。但對于中、大尺寸的OLED顯示模塊都采用了行場同步接口。對于HV接口的普通單片機將無法對其進行操作，只有高端的ARM9，ARM11為內核的處理器才能集成行場同步模式TFT控制接口，現階段還沒有滿足OLED驅動控制接口的MPU。

本系統設計就是要實現中小尺寸彩色OLED復雜的控制接口到簡單接口的轉換，并集成自定義的操作指令，最終留給用戶的是一個RS232串口和固定的指令字符串。

一、系統硬件設計

（一）FPGA與MPU組合驅動方式

現階段彩色TFT控制器大多采用FPGA作為時序控制來實現行場同步控制接口到普通并行接口的轉換以易于普通單片機的操作，這種方法也可以應用于彩色OLED顯示模塊的控制。此類控制方法的系統框圖與FPGA內部功能框圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 FPGA+MCU系統框圖

圖2 FPGA內部功能框圖

FPGA芯片需要外接一塊SRAM作為顯存，如果是480x272分辨率的TFT屏，顏色為65K色，則需要SRAM的容量為：480x272x16=255KB。以ISSI的SRAM為例，如果用戶不需要雙緩存的功能，使用IS61LV12816（256KB）就能滿足要求，如果需要使用雙緩存功能，需要使用IS61LV25616AL（512KB）。雙緩存功能提供了雙倍的顯示存儲空間，用來進行兩幅圖片零等待的切換或者區域圖像更新。FPGA芯片需要外接40MHz～50MHz的有源晶振來提供系統工作時鐘。TFT接口采用16位色RGB模式，可以實現65536種顏色，同步信號采用DE驅動模式，如果液晶屏的RGB數據接口大于16位顏色，則相對應的低位數據線需要接地。

（二）智能型單片解決方案（SOC）

FPGA與MPU組合驅動方式已經解決了中大尺寸TFT與OLED的控制問題，使得一般的MPU可以簡單地操作TFT和OLED顯示模塊。但對于復雜的系統而言，要顯示的界面復雜、顯示內容豐富，因而需要大量的顯示數據需要存儲。而一般的MPU內部FLASH最多也就128K，能達到512K的程序存儲器的MPU已經很少見。即使是512K的程序存儲器對于彩色顯示應用而言也是捉襟見肘，還不夠存儲一幅顯示畫面的，這就制約了彩色TFT與OLED顯示模塊在以低端MPU為控制器的系統中的應用，因而設計一款符合低端MPU操作的OLED控制芯片成為OLED推廣應用的前提條件。

智能型OLED驅動芯片的設計與研究項目以ACTEL公司生產的SmartFusion芯片作為功能樣片研制的載體。Actel SmartFusion?系列智能型混合信號FPGA采用與Fusion混合信號FPGA相同的技術，并通過Flash半導體工藝集成了可編程的高性能模擬模塊和硬化的ARM? Cortex-M3微控制器模塊。SmartFusion將這三種不相關的技術整合在一起，使得其成本大大降低，占位面積大大減少，不僅具有FPGA的高速并行的特點，而且可以發揮ARM靈活控制的長處，取長補短，它是新一代SOC完美的解決方案。

Actel SmartFusion結構框圖如圖3所示。智能型OLED控制IC系統框圖則如圖4所示。

圖3 Actel SmartFusion結構框圖

圖4 智能型OLED控制IC系統框圖

通過對比圖1和圖4可以發現，圖4所示智能型OLED控制IC系統把FPGA和MPU分別完成的功能統一集成到一片芯片中，簡化了系統電路設計，可以降低成本并提高系統可靠性。

二、系統驅動軟件設計

本系統軟件主要分為兩大部分，一是OLED顯示模塊時序控制程序，這部分程序下載到Smartfusion中的FPGA中，另一部分是OLED智能控制部分，此部分程序的主要功能是提供給用戶簡單易用的操作質量，比如寫漢字，只要通過串口按照指令格式把漢字的機器碼發送到智能控制芯片中，智能芯片通過解碼即能夠在OLED屏上顯示對應的漢字，且字體大小可以修改。同樣，如果想在OLED顯示模塊上畫圖形，可以發送畫線、畫圓、畫矩形等作圖指令，智能控制芯片通過對命令解碼即可在指定位置畫出對應的圖形。此部分為應用程序部分，下載到Smartfusion中的Cotex-M3處理器中，Smartfusion中的FPGA和Cotex-M3處理器程序存儲均使用flash存儲技術，不需要外擴程序存儲器，簡化了系統硬件設計，提高了系統可靠性，上電即運行，提高了系統程序的運行效率。

（一）OLED顯示模塊時序控制程序

本系統OLED時序控制程序采用Verilog HDL語言實現彩色OLED行場掃描時序的控制。整個系統程序主要由以下幾個模塊組成：系統分頻控制模塊、OLED時序控制模塊、數據存儲器控制模塊、接口控制模塊等。各模塊的功能如下：

1.系統分頻控制模塊

本系統的主時鐘由外部有源晶振提供，時鐘頻率為40Mhz，經Smartfusion內部集成PLL電路倍頻到200Mhz作為系統的工作時鐘。而OLED要求的數據鎖存時鐘約為32Mhz。系統分頻控制模塊就是為了產生這個時鐘信號而設計的，它把PLL時鐘信號經6分頻后產生的信號作為OLED的DCLK。同時這個時鐘也是OLED的時序控制器的工作時鐘。

程序中用外部時鐘信號（sys_clk）作為敏感信號，在外部時鐘信號的上升沿觸發此進程工作。實現每3個sys_clk的上升沿改變一次DCLK的輸出電平，從而實現對sys_clk的6分頻并產生DCLK的功能。

2.OLED時序控制模塊

本模塊的功能是產生HSY和VSY信號，并按照OLED顯示模塊技術規格書中的時序要求，在規定的時刻把顯示數據送到TFT模塊的數據線上，在DCLK的上升沿鎖存，并把顯示數據所表達的信息在TFT模塊上顯示出來。

3.OLED顯示存儲器控制單元

采用行場掃描驅動方式控制的OLED顯示模塊內部沒有顯示存儲器，要實現穩定的顯示畫面就要求外部處理器以一定的頻率不停的對OLED顯示模塊進行刷新。而且要為OLED顯示模塊在外部另加一片顯示存儲器，用于存放顯示數據。OLED顯示存儲器控制單元的作用就是按照一定的時序來控制顯示數據寫入與讀出。而且要求寫入數據和讀出數據不能發生沖突，否則會在TFT顯示屏上顯示出很多雜點乃至不能正常顯示，造成TFT顯示模塊不能正常工作。

4.OLED與CPU的接口控制單元

由上分析可知，普通的單片機無法驅動采用行場掃描控制的彩色OLED模塊。但通過本設計的彩色TFT模塊控制器后，普通的單片機就可以像操作其它總線接口的黑白屏一樣來操作彩屏了，即所設計的彩色OLED模塊控制器實現了復雜的行場掃描的控制接口到簡單的總線方式接口的轉換。OLED與CPU的接口控制單元就是實現外部OLED對TFT控制器參數的設置以及顯示數據的寫入。

5.OLED與CPU數據交換的指令介紹

要實現外部CPU對LCD控制器的操作，就要按照一定的指令先初始化OLED控制器，然后設置待寫入的數據在顯示存儲區的地址，地址值設置完后，便可以寫入/讀出數據。如連續寫入/讀出數據則不需要重復設置地址，地址自動加1。如果寫入/ 讀取的數據地址不連續，則要在寫入/讀取數據前設置要寫入/讀取數據的顯示存儲器地址。

（二）OLED智能控制應用程序設計

本設計主要實現Smartfusion中Cotex-M3處理器對OLED顯示內容的控制，把常用的功能做成程序模塊，按照用戶發送的指令代碼作相應的操作，達到用戶以最簡單的方法實現OLED應用的目的。下面主要介紹系統操作指令，具體程序代碼在此略去。

1.串口通訊協議

通訊端口的工作模式是：N-8-1格式，即1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗；通訊波特率支持從1200到115200bps，可以通過設置系統來設置參數。所有經串口發送的數據均為16（HEX）進制數據。芯片上電后缺省的通信波特率為9600bps。

中小尺寸OLED智能控制芯片采用RS232串行接口與之交換信息。所有顯示內容的寫入都通過串口按照一定的協議實現。通訊幀格式如下：

【0xAA】【指令碼】【數據】【0xCC 0x33 0xC3 0x3C】

（1）0xAA：命令頭，每個指令發送前必須發送，ZNF系列智能型顯示器根據該字節判斷一個命令的開始。

（2）指令碼：1個字節，具體可參考指令集列表。

（3）數據：最多320000字節，凡是介于指令碼和結束碼之間的統稱為數據，數據中每個字節的具體定義根據不同的命令碼而有所不同，有的指令碼不需要數據。

（4）0xCC 0x33 0xC3 0x3C：結束碼，4個字節，ZNF系列智能型顯示器在接收到命令頭后，只有接收到這4個字節，才認為一個命令結束，然后去翻譯并執行該段命令。

2.功能與指令

系統操作指令見表1

表1 系統操作指令

序號功能命令頭指令碼數據結束字符

1聯機測試0xAA0x00無0xCC0x330xC30x3C

2通信波特率設置0xAA0x01波特率0xCC0x330xC30x3C

3用給定的顏色清屏0xAA0x52Data0xCC0x330xC30x3C

4設置調色板0xAA0x40Fcolor + Bcolor0xCC0x330xC30x3C

5在指定位置寫字符串0xAA0x55Data0xCC0x330xC30x3C

6畫線0xAA0x57Data0xCC0x330xC30x3C

7畫矩形0xAA0x59Data0xCC0x330xC30x3C

8填充矩形0xAA0x5AData0xCC0x330xC30x3C

9畫矩形域0xAA0x5BData0xCC0x330xC30x3C

10畫圓0xAA0x5CData0xCC0x330xC30x3C

11填充圓0xAA0x5DData0xCC0x330xC30x3C

12畫圓域0xAA0x5EData0xCC0x330xC30x3C

13在指定區域寫圖形0xAA0x61Data0xCC0x330xC30x3C

各指令說明如下：

（1）聯機測試

例：串口下發： AA 00 CC 33 C3 3C

如果終端就緒，終端將應答：AA 00 ‘OK！’ CC 33 C3 3C

（2）通信波特率設置

例：串口下發： AA 01 25 80 CC 33 C3 3C

功能：設置顯示終端的通信波特率為9600bps

（3）用給定的顏色清屏

例：串口下發： AA 52 E0 CC 33 C3 3C

功能：用紅色清整個屏幕

（4）設置調色板

串口下發： AA 40 Fcolor Bcolor CC 33 C3 3C

功能：設置顯示前景色為Fcolor和背景色為Bcolor。

例：串口下發： AA 40 00 FC 00 00 00 00 00 00 CC 33 C3 3C

功能：設置前景色為紅色，背景色為黑色。

（5）在指定位置寫字符串

Data的格式如下：Index + X_h + X_l + Y_h + Y_l+Blank + String+0x00

例：串口下發： AA 55 02 00 00 00 00 00 B9 FA BC D2 00 CC 33 C3 3C

功能：在（0，0）坐標處顯示16*16點陣的字符“國家”。前景色為Fcolor，背景色為Bcolor。

（6）畫線

例：串口下發： AA 57 X0_H X0_L Y0_H Y0_L X1_H X1_L Y1_H Y1_L Color CC 33 C3 3C

功能：在（X0，Y0）（X1，Y1）亮點間畫一條顏色為Color的線。

（7）畫矩形

例：串口下發： AA 59 X0_H X0_L Y0_H Y0_L X1_H X1_L Y1_H Y1_L Color CC 33 C3 3C

功能：以（X0，Y0）和（X1，Y1）兩點確定的線段為對角線畫一顏色為Color的矩形。如圖5所示：

（X0，Y0）

（X1，Y1）

圖5 矩形

（8）填充矩形

例：串口下發： AA 5A X0_H X0_L Y0_H Y0_L X1_H X1_L Y1_H Y1_L Color CC 33 C3 3C

功能：填充以（X0，Y0）和（X1，Y1）兩點確定的線段為對角線所確定的矩形。如圖6所示：

（X0，Y0）

（X1，Y1）

圖6 填充矩形

（9）畫矩形域

例：串口下發： AA 5B X0_H X0_L Y0_H Y0_L X1_H X1_L Y1_H Y1_L Color CC 33 C3 3C

功能：以（X0，Y0）和（X1，Y1）兩點確定的線段為對角線畫矩形域。如圖7所示：

（X0，Y0）

（X1，Y1）

圖7 矩形域

（10）畫圓

例：串口下發： AA 5C X0_H X0_L Y0_H Y0_L R_H R_L Color CC 33 C3 3C

功能：以（X0，Y0）為圓心，R為半徑畫一顏色為Color的圓。如圖8所示：

圖8 圓

（11）填充圓

例：串口下發： AA 5D X0_H X0_L Y0_H Y0_L R_H R_L Color CC 33 C3 3C

功能：以（X0，Y0）為圓心，R為半徑用Color參數代表的顏色填充圓。如圖9所示：

圖9 填充圓

（12）畫圓域

例：串口下發： AA 5E X0_H X0_L Y0_H Y0_L R_H R_L Color CC 33 C3 3C

功能：以（X0，Y0）為圓心，R為半徑用Color參數代表的顏色畫圓域。如圖10所示：

圖10 圓域

（13）在指定區域寫圖形

例：串口下發： AA 5E XB_H XB_L YB_H YB_L XW_H XW_L YW_H YW_L Pic_Data CC 33 C3 3C

參數說明：XB_H XB_L：起始地址的X坐標，對應于圖像的左上角的X坐標；

YB_H YB_L：起始地址的Y坐標，對應于圖像的左上角的Y坐標；

XW_H XW_L：圖像的X方向的寬度；

YW_H YW_L：圖像的W方向的寬度；

Pic_Data：圖像數據；

三、結束語

經過實際制作功能樣機、測試，證明設計方案正確可行，功能樣機滿足設計要求。

用戶只要通過串口發送相應的指令即可實現對復雜OLED顯示模塊的操作，而不需要去考慮復雜的電路設計與時序控制方面的問題，使得OLED顯示模塊更易于使用，用戶電路系統更簡單。

功能樣機和應用測試分別如圖11、圖12。

圖11 功能樣機 圖12 應用測試

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[基金項目]淮安市2010年科技支撐計劃（工業）項目（HAG2010023）。

[作者信息]毛學軍（1965.11-），男，本科，副教授，研究方向：電子信息技術、顯示技術方向。