基于Zynq的OLED驱动设计

　　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威廉希尔官方网站 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（OrganicLight－EmittingDiode，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OLEDIP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OLEDIP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，驱动威廉希尔官方网站 采用所罗门科技的SSD1306芯片。具体威廉希尔官方网站 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：逻辑威廉希尔官方网站 电源；

　　VBAT：DC／DC转换威廉希尔官方网站 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］［i］）；

　　｝

　　｝

　　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5OLED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。