一種基于LPC1788的OLED顯示按鍵矩陣設計

周國良，曾范昌

(中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222006)

1 引 言

隨著軍用裝備的不斷更新換代和人機交互技術的發展，不僅對操控設備的性能要求越來越高，對操控設備的可視化和圖形化的顯示需求、人機界面友好性的要求也越來越迫切，并對操控設備的功耗、減少光污染方面提出了更高的要求。在車載、艦載、機載等一體化大屏幕顯示器應用中，周圍需要大量的按鍵來輔助實現操控信息的輸入輸出[1]，以更加方便、直觀、快捷地實現人機信息的交互。

傳統的按鍵矩陣多采用瑞士EAO公司和國內851廠的按鍵，按鍵標識采用膠片印字的方式，并通過LED背光源實現按鍵表面標識字符的發光顯示，無法實現按鍵的通用化設計和按鍵功能數量的擴展，想要更改按鍵的功能標識只能重新設計膠片進行更換，對于現場按鍵標識的更改非常不方便，并且采用LED燈作為背光源，照明不均勻，膠片的顯示效果差。如果按鍵數目不能滿足設計要求，只能重新設計按鍵矩陣，可擴展性差，無法滿足硬件通用化設計。

OLED顯示屏具有廣視角、高亮度、自發光、響應速度快、高清晰、低功耗、抗震性能優異、制造成本低、超輕、超薄等特點，在手持終端及嵌入式設備，應用范圍及其廣泛[2-3]。將OLED屏應用到按鍵上，可以充分滿足用戶可視化、圖形化的顯示需求。本文為了實現人機交互場景中按鍵矩陣的硬件通用化設計，按鍵功能軟件自定義、按鍵功能數量可擴展，對OLED顯示按鍵進行了研究，并設計了基于LPC1788的OLED顯示按鍵矩陣，將字庫、圖片存儲在板載Flash中，實現了顯示文字、圖片的軟件可配置。將OLED圖形顯示技術應用于顯示按鍵，實現按鍵提示信息可編程，按鍵功能標識及顯示內容可配置，按鍵數量通過設置翻頁功能可擴展，進一步節省了人機交互空間、簡化了人機交互設備，提升了人機交互體驗[4-5]。

2 系統設計

2.1 矩陣系統的硬件構成

基于LPC1788的 OLED顯示按鍵矩陣設計[6]，采用面向用戶的設計理念，實現硬件通用化設計，按鍵功能、按鍵顯示畫面可通過軟件實現用戶自定義，控制板采用NXP公司的LPC1788處理芯片，按鍵矩陣主要包括OLED按鍵、SPI FLASH 模塊、PWM調光模塊、電源電路、MCU處理模塊以及上位機六部分，系統功能框圖如圖1所示，以下分別介紹各部分的組成及功能[7]。

圖1 系統功能框圖Fig.1 Function block diagram of system

2.2 OLED按鍵

OLED顯示按鍵矩陣采用的是NKK公司的ISF型OLED顯示按鍵，為彩色OLED顯示模塊，16位模式下達65 536色范圍，能滿足細小文字、圖表的精細顯示，180°視角，顯示達6行，每行10個字符。具有高清晰度、高對比度的特點，分辨率為96×64像素，集成了位圖顯示功能，結構尺寸小，通過指令及串行通訊接口提供數據(SPI接口)進行顯示，可視面積達21.28 mm×18.74 mm。圖2為ISF型OLED顯示按鍵功能框圖。按鍵結構緊湊，可靠性高，操作流暢靜音，具有單元組合顯示功能，應用方便靈活。

圖2 OLED顯示按鍵功能框圖Fig.2 Function block diagram of OLED key

OLED顯示按鍵通過從選擇信號、復位信號、數據指令控制信號3個控制信號和SPI接口實現與MCU的數據通信。控制信號SS為OLED顯示按鍵從選擇信號，低電平有效；RES為OLED顯示按鍵的復位信號，低電平有效，復位時OLED顯示按鍵進行初始化；D/C為OLED顯示按鍵數據、指令控制，低電平數據解析為指令，高電平數據被認為數據；SCK為OLED顯示按鍵的SPI接口的時鐘；SDI為OLED顯示按鍵的數據線；VDD為邏輯電路電源，控制OLED顯示按鍵的背光亮度；一對SW引腳為開關兩端，VCC、GND為OLED顯示按鍵的電源和地信號。圖3為ISF型OLED顯示按鍵的驅動時序，表1為ISF型OLED顯示按鍵的驅動時序參數[8]。

圖3按鍵驅動時序Fig.3 Display key drive timing

表1 按鍵時序參數Tab.1 Display key timing parameters

2.3 SPI FLASH模塊

OLED顯示按鍵集成了位圖顯示功能，能進行小文字、圖表的精細顯示，但按鍵本身沒有存儲器，字庫和需要顯示的圖只能存儲在外置存儲器中，本文采用了外置Flash的方式，進行字庫和圖片的存儲。Flash選用了ST公司的SPI 接口FLASH M25P128，存儲空間128 Mbit。32號字的字庫為1 MB左右，96×64像素的彩色圖片每張大約為16 KB,可以滿足大約數萬張16 KB的圖片存儲需求[9]。

2.4 PWM調光模塊

PWM調光模塊包括光強傳感器和調光電路，光強傳感器采用MAX44009串口光強度傳感器模塊，測量范圍0.045 ～188 000 lx，并且具有I2C接口，MCU可直接通過I2C總線進行數據采集。

根據OLED顯示按鍵背光的亮度由按鍵的邏輯電源VDD控制，邏輯電源典型值為DC 15 V，為了實現OLED按鍵的亮度調節設計了基于PWM調壓技術的調光電路。如圖4所示為PWM調光電路，PWM調光電路通過LPC1788 通用PWM管腳輸出占空比可調的方波信號，PWM信號經過兩級開關三極管進行電壓變換，并進行兩級LC積分濾波處理，得到輸出為接近直流的電壓信號，電壓信號的幅值為15×X(V)，其中X為PWM信號占空比，其值為0～100%，通過調節PWM信號的占空比從而實現了OLED顯示按鍵邏輯電源0～15V區間內可連續平滑調節，即實現了OLED顯示按鍵亮度調節，OLED顯示按鍵亮度調節范圍0～250 cd/m2[10-13]，可以滿足在白天、傍晚、黑夜等不同光線條件下的按鍵的亮度調節需求和文字、圖片的顯示需求。

圖4 PWM調光電路Fig.4 Design of PWM dimmer circuit

2.5 電源電路

OLED顯示按鍵矩陣電源采用+5 V外部電源供電，內部需要VCC +3.3 V和VDD +15 V兩種電源供電，根據圖5按鍵狀態變換和圖6電源上電、斷電順序，設計了圖7電源供電電路，供電電路選用了Linear公司的LTC3531ES6-3.3電源芯片產生+3.3 V、TI的TPS61041電源芯片產生+15 V，并選用了TI的TPS3103K33芯片來控制+3.3 V和+15 V的上電時序。

圖5 按鍵狀態變換Fig.5 State transformation of display keys

圖6 按鍵上電順序Fig.6 Power-on sequence of keys

2.6 MCU處理模塊

MCU處理模塊采用NXP公司的LPC1788，該芯片為ARM7框架，外設組件包括高達512 kB的Flash存儲器、高達92 kB的數據存儲器、4 kB的EEPROM存儲器、一個用于SDRAM和靜態存儲器存取的外部存儲器控制器、一個6輸出的通用PWM、具有以太網MAC、USB、UART、SSP控制器、I2C、雙通道CAN等豐富的通信接口、一個正交編碼器接口、4個通用定時器、一個帶獨立電源和時間監控器/記錄器的超低功耗RTC、一個窗口看門狗定時器,豐富的資源有效減少了外圍電路。

圖8 MCU處理模塊功能框圖Fig.8 Function block diagram of MCU processing module

圖8所示為MCU處理模塊功能框圖，MCU處理模塊以LPC1788為核心處理芯片，主要功能包括控制SPI flash、EEPROM的讀寫，OLED按鍵的時序控制，以及對外提供USB、RS232、RS422、CAN接口等通信接口。

3 軟件設計

軟件設計主要包括LPC1788的固件設計和OLED按鍵矩陣上位機設計，為提高控制系統的可靠性，控制系統的軟件采用模塊化結構，上位機配置界面如圖9所示。上位機界面分為通信接口選擇、按鍵編號選擇、字庫選擇、按鍵背景配置、按鍵字體配置、按鍵圖片配置等，圖10所示為OLED按鍵矩陣配置流程圖。

圖9 上位機配置界面Fig.9 Configuration interface of display Key

圖10 按鍵配置流程Fig.10 Process of key configuration

4 設計實現

OLED顯示按鍵矩陣核心部件是鍵盤控制板，OLED按鍵安裝在鍵盤控制板上，每個按鍵通過金屬管腳焊接在鍵盤控制板上，鍵盤控制板安裝在結構外殼的內部，并通過結構外殼上表面開孔將OLED按鍵裸露出來，進行顯示與按鍵操作。OLED按鍵與結構外殼上表面平齊安裝。

OLED按鍵矩陣需要顯示的字庫和圖片存儲于鍵盤控制板的Flash存儲器中，LPC1788通過SPI接口與OLED按鍵通信，根據需要讀取Flash中存儲的字庫和圖片到OLED按鍵進行顯示。

LPC1788控制器實時檢測OLED按鍵的抬起、按下變化情況，輸出按鍵抬起、按下變化的編碼值，同時根據按鍵抬起、按下狀態從Flash中讀取需要顯示的內容，從而控制OLED按鍵的顯示內容。按鍵矩陣一方面可以通過照度傳感器實時檢測環境光照強度，并根據環境光照輕度調節按鍵背光的亮度，也可以通過上位機設置白天、傍晚、黑夜3種亮度模式調整按鍵背光亮度。

OLED顯示按鍵矩陣在設計及試制后，完成了調試驗證工作，并進行了批量生產，產品實物如圖11所示，按鍵矩陣由9行2列總共18個OLED顯示按鍵組成，實現了硬件通用化、軟件可定義設計，按鍵矩陣通過USB接口與上位機進行通信，可以根據軟件配置靈活的定義按鍵功能和顯示內容。OLED顯示按鍵矩陣還具有翻頁擴展功能，通過按鍵翻頁實現對同一個按鍵的多功能定義，滿足更多按鍵個數的需求。

圖11 按鍵矩陣實物顯示圖Fig.11 Object of display key matrix

5 結 論

設計的基于LPC1788的 OLED顯示按鍵矩陣設計，實現了按鍵矩陣的硬件通用化設計、軟件可擴展設計，按鍵矩陣由18個NKK公司的ISF型OLED顯示按鍵組成，按鍵顯示分辨率96×64像素，180°視角，調光范圍0～250 cd/m2，高清晰度、高對比度，全屏幕顯示，通過軟件靈活配置，實現矩陣翻頁設計，擴展為更多的按鍵需求，節省了結構空間。實現了按鍵背光根據環境光照強度的自動調節，達到減少光污染、延長產品使用壽命的目的。產品具有低功耗、清晰度高、人機界面友好、通用性強、可靠性高、可移植性好、外形美觀等特點，現在已經實現了批量化生產和推廣應用。隨著OLED顯示技術的進一步發展，性能的進一步提升，在車載、艦載、機載等人機交互場景中應用范圍必將越來越廣。