基于Zynq的OLED驅動設計

邢艷芳，張延冬

（1.中國傳媒大學南廣學院 傳媒技術學院，江蘇 南京211172；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京，211102）

1 引 言

隨著近幾年嵌入式技術的飛速發展和廣泛應用，人機交互成為嵌入式設備的迫切需要。為適應Xilinx最新平臺Zynq的人機交互需要，提出一種基于Zynq的OLED 驅動設計方法。

有 機 發 光 二 極 管（Organic Light－Emitting Diode，OLED）由于同時具備自發光、不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術［1－3］。

Xilinx最新平臺Zynq將處理器的軟件可編程能力與FPGA 的硬件可編程能力實現完美結合，以低功耗和低成本等系統優勢實現良好的系統性能、靈活性和可擴展性。

文章詳細闡述了基于Zynq的OLED 驅動設計步驟和方法［6］，并且在基于Zynq 的開發板ZedBoard上實現了實時顯示字母、數字和點陣圖像，為Zynq在儀器儀表領域實現人機交互提供了技術支撐。

2 OLED 驅動設計流程

Zynq是一個ARM PS＋PL 結構，其中PL部分就是傳統意義的FPGA，可以方便地定制相關外設IP，也可以進行相關的算法設計，和使用普通FPGA 完全一樣。如果不使用PL，Zynq的PS部分和普通的ARM 開發一樣。Zynq最大的特點是可以利用PL 部分靈活地定制外設，掛在PS上，而普通的ARM，外設是固定的。因此，Zynq的硬件外設是不固定的，這也是Zynq靈活性的一個表現。OLED 在Zynq 上是連接在PL上，因此需要把OLED 對應引腳掛在PS的硬件上，然后設計OLED IP核［7］，再通過SDK 設計驅動程序，OLED 驅動設計流程如圖1所示。

圖1 OLED 驅動設計流程Fig.1 Design flow of OLED driver

ZedBozrd控制OLED 的主要方法是：自行設計一個IP 核，對OLED 的6 個控制信號和電源信號進行邏輯設計和引腳約束，通過AXI總線，把OLED 的IP核和PS聯系起來。在PS部分編寫相應的驅動程序，即可實現對OLED 的控制，如圖2所示。

圖2 OLED 系統設計圖Fig.2 Design diagram of OLED system

因此，要實現OLED 顯示功能，主要做以下幾個方面工作：設計Zynq硬件系統（PS部分）、設計自己的IP核和PS部分驅動程序設計。

3 建立Zynq 硬件系統和OLED IP核

Zynq的開發板ZedBoard上使用Inteltronic／Wisechip 公 司 的 OLED 顯 示 模 組 UG－2832HSWEG04，分辨率為128×32，是一款單色被動式顯示屏，驅動電路采用所羅門科技的SSD1306芯片［8］。具體電路如圖3所示。根據原理圖可知，ZedBoard 開發板使用的OLED 采用SPI方式控制，SPI模式使用的信號線和電源線有如下幾條：

我的老家在沂蒙山腹地，周圍都是連綿的高山。村里修了平整的水泥路，與這里的環境相得益彰。等車子駛進了村子，一股暖洋洋的春風吹過，那久違的熟悉的泥土味道、莊稼的味道、村莊的味道、炊煙的味道直撲鼻翼，如我幼時一樣，讓我聞到了故鄉的味道。我和父親先下了車，我們要抄一條小道走回家，母親只好自己先開車回去。

RST（RES）：硬復位OLED；

DC：命令／數據標志（0，讀寫命令；1，讀寫數據）；

SCLK：串行時鐘線；

SDIN：串行數據線；

VDD：邏輯電路電源；

VBAT：DC／DC轉換電路電源。

在SPI模式下，每個數據長度均為8 位，在SCLK 的上升沿，數據從SDIN 移入到SSD1306，并且是高位在前的。

圖3 OLED 原理圖Fig.3 OLED scheme diagram

Zynq的硬件系統是指在PL 中配置相關外設，掛載到PS 中，作為PS 部分的外設使用。OLED 驅動主要用到6個IO 口，在生成硬件系統時，只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成最小硬件系統，然后把OLED 的相關引腳添加到最小硬件系統中。主要過程如下：

（1）根據芯片型號，根據XPS工具設計流程，生成Zynq的最小硬件系統。

（2）在最小硬件系統中，添加外設IP my＿oled，把OLED 的SPI引腳添加到工程中。添加一個6位寄存器，每位和SPI引腳對應。

（3）my＿oled IP核邏輯設計主要完成IP核引腳添加、端口映射和用戶邏輯功能。首先要對設計的IP 核添加引腳，在系統生成的MPD 文件中，添加OLED 的相關引腳端口和方向信息。

在MPD 文件中，在PORT 下 添 加OLED 的相關引腳和方向信息，具體代碼如下：

PORT DC＝""，DIR＝O

PORT RES＝""，DIR＝O

PORT SCLK＝""，DIR＝O

PORT SDIN＝""，DIR＝O

PORT VBAT＝""，DIR＝O

PORT VDD＝""，DIR＝O

（4）在系統生成的my＿oled.vhd文件中，用VHDL語言進行端口設計，主要進行以下兩個設計。

聲明IP和用戶6個信號和電源的端口。代碼如下：

將用戶端口和IP 核端口進行映射，代碼如下：

（5）在 系 統 生 成 的user＿logic.v 文 件 中，用Verilog語言進行邏輯設計，實現寄存器和SPI對應端口連接并實時讀取，主要代碼如下。其中slv＿reg0為IP核寄存器，tmp為用戶定義臨時寄存器，tmp的每一位和IP 端口一一對應。實現把slv＿reg0寄存器低6位實時傳給tmp寄存器，通過對寄存器slv＿reg0的寫操作達到控制6個引腳的時序。

4 OLED 驅動程序設計

由于ZedBoard開發板上的OLED 使用的是SPI協議，并且只支持寫，不支持讀，因此控制OLED 就 是 在SCLK 的 時 鐘 下，通 過SDIN 進 行命令和數據的傳輸。OLED 的控制需要經過初始化、傳數據和命令以及對顯存設置等操作實現［9－10］。

4.1 初始化

驅動IC的初始化代碼，可以參考廠家推薦的設置，但需要根據開發板上OLED 實際參數進行一些修改。

根據SSD1306數據手冊的初始化說明，具體步驟如圖4所示。初始化的實現就是對SSD1306進行寫命令。

按照圖4參數，逐步把命令寫入SSD1306即可實現對SSD1306的初始化。

圖4 SSD1306初始化步驟Fig.4 SSD1306initialization step

4.2 寫數據和命令的實現

在SCLK 時鐘下，根據要寫入的數據或者命令，設置SDIN 引腳的電平，一位一位地把數據寫入SSD1306。SSD1306 每次傳送的命令和數據均為一個字節，傳送數據和命令的區別是通過Set＿OLED＿DC 宏，設置該函數為寫數據，通過Clr＿OLED＿DC 宏，設置該函數為寫命令。實現一個字節的數據傳輸代碼如下：

4.3 顯存數據寫入SSD1306存儲器

我們采用的辦法是在PS 的內部建立一個OLED的GRAM（共128個字節），在每次修改的時候，只是修改PS 上的GRAM（實際上就是SRAM），在修改完之后，一次性把PS上的GRAM寫入到OLED的GRAM。具體代碼如下：

void OLED＿Refresh＿Gram（void）

4.4 顯示結果

系統實現了OLED 的字母、數字和點陣圖形實時顯示，如圖5所示。

圖5 OLED 運行結果Fig.5 OLED’s operation result

5 結 論

系統采用可軟硬件協同設計的Zynq器件，定制硬件IP核，采用傳統ARM 程序設計方法設計OLED 驅動程序和測試程序，實現了實時顯示。解決了基于Zynq器件在廣電儀器和電力儀表儀器中人機交互的工程技術，具有集成度高、可移植性強和通用性好等優點。

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