OLED具備自發(fā)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(yōu)異特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。目前OLED的驅動大部分都是基于STM系列 ARM芯片和傳統(tǒng)FPGA芯片。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。文章闡述了OLED的特性和SPI控制方式，給出了設計流程和硬件電路圖。利用Zynq的PL部分完成了OLED驅動的IP核，利用Zynq的PS部分實現(xiàn)了OLED的驅動程序設計。通過AXI總線實現(xiàn)PL和PS的通信。最后通過測試程序，實現(xiàn)了字母、數字和點陣圖像的實時顯示。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(yōu)點。
1 引言
隨著近幾年嵌入式技術的飛速發(fā)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(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)由于同時具備自發(fā)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(yōu)異特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。
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(xiàn)完美結合，以低功耗和低成本等系統(tǒng)優(yōu)勢實現(xiàn)良好的系統(tǒng)性能、靈活性和可擴展性。
目前OLED的驅動大部分都是基于STM系列ARM芯片和傳統(tǒng)FPGA芯片。在Zynq上，Xilinx提供了Linux演示實例，但無裸機源碼，無法滿足實時性比較強的工程實際需求。
文章詳細闡述了基于Zynq的OLED驅動設計步驟和方法，并且在基于Zynq的開發(fā)板ZedBoard上實現(xiàn)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(xiàn)人機交互提供了技術支撐。
2 OLED驅動設計流程
Zynq是一個ARMPS+PL結構，其中PL部分就是傳統(tǒng)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(fā)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(xiàn)。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，再通過SDK設計驅動程序，OLED驅動設計流程如圖1所示。
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(lián)系起來。在PS部分編寫相應的驅動程序，即可實現(xiàn)對OLED的控制，如圖2所示。
圖1 OLED驅動設計流程
圖2 OLED系統(tǒng)設計圖
因此，要實現(xiàn)OLED顯示功 能，主要做以下幾個方面工作：設計Zynq硬件系統(tǒng)(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(tǒng)和OLED IP核
Zynq的開發(fā)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。具體電路如圖3所示。根據原理圖可知，ZedBoard開發(fā)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：
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
Zynq的硬件系統(tǒng)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(tǒng)時，只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成最小硬件系統(tǒng)，然后把OLED的相關引腳添加到最小硬件系統(tǒng)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(tǒng)。
(2)在最小硬件系統(tǒng)中，添加外設IPmy_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_oledIP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(tǒng)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：
PORTDC=" "，DIR=O
PORTRES=" "，DIR=O
PORTSCLK=" "，DIR=O
PORTSDIN=" "，DIR=O
PORTVBAT=" "，DIR=O
PORTVDD=" "，DIR=O
(4)在系統(tǒng)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：
DC ∶outstd_logic;
RES ∶outstd_logic;
SCLK ∶outstd_logic;
SDIN ∶outstd_logic;
VBAT ∶outstd_logic;
VDD ∶outstd_logic;
將用戶端口和IP核端口進行映射，代碼如下：
DC =>DC，
RES =>RES，
SCLK =>SCLK，
SDIN =>SDIN，
VBAT =>VBAT，
VDD =>VDD，
(5)在系統(tǒng)生成的user_logic.v文件中，用Verilog語言進行邏輯設計，實現(xiàn)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(xiàn)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。
always@(posedgeBus2IP_Clk)
begin
tmp<=slv_reg0[5：0];
end
4 OLED驅動程序設計
由于ZedBoard開發(fā)板上的OLED使用的是SPI協(xié)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(xiàn)。
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(fā)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(xiàn)就是對SSD1306進行寫命令。
圖4 SSD1306初始化步驟
4.2 寫數據和命令的實現(xiàn)
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(jié)，傳送數據和命令的區(qū)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(xiàn)一個字節(jié)的數據傳輸代碼如下：
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 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(jié))，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：
voidOLED_Refresh_Gram(void)
{
u8i，n;
for(i=0;i<4;i++)
{
write_cmd(0xb0+i);//設置頁地址
write_cmd(0x00);//設置顯示位置—列低地址，偏移了2列
write_cmd(0x10);//設置顯示位置—列高地址
for(n=0;n<128;n++)write_data(OLED_GRAM[n][i]);
｝
｝
4.4 顯示結果
系統(tǒng)實現(xiàn)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
5 結論
系統(tǒng)采用可軟硬件協(xié)同設計的Zynq器件，定制硬件IP核，采用傳統(tǒng)ARM程序設計方法設計OLED驅動程序和測試程序，實現(xiàn)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(yōu)點。
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