OLED显示屏的驱动设计与实现

现在OLED显示屏在嵌入式系统中应用的越来越多。对于一些显示信息不太复杂，以显示信息为主的需求，我们一般会选择OLED显示屏。在这一篇中，我们将讨论OLED显示屏驱动的设计与实现。

1、功能概述

  从使用的情况来说，较为常用的是0.96英寸的OLED128x64的显示屏。这种OLED屏多采用象SSD1306这类驱动芯片，所以我们对OLED屏的操作实际就是对控制芯片的操作。

  对于0.96英寸的OLED128x64的显示屏，其像素点为128x64个，对应在显示RAM中的128x64个位。在显存中，这些区域被划分为8个Page，这些页的划分具体如下图所示：

  在每一页中包括128x8个位对应相应的像素点，对显示像素的操作就是对乡村中对应的位的操作，每页中像素点的排布如下：

  对于操作0.96英寸的OLED128x64显示屏的接口有多种，如6800并行接口、8080并行接口、SPI串行接口以及I2C串行接口等。对于并行接口应用较少，现在应用较多的是SPI和I2C这两种串行总线接口。在SPI接口方式下，有3个控制引脚是需要操作的，分别是复位、数据命令选择和片选信号。而在I2C接口方式下，仅有复位引脚是可控的，但在发送命令或数据时会多一个字节的控制字。

2、驱动设计与实现

  我们已经了解了0.96英寸的OLED128x64显示屏的基本情况，在这里我们来考虑如何实现0.96英寸的OLED128x64显示屏的驱动设计。

2.1、对象定义

  在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要OLED显示屏就需要先定义OLED显示屏的对象。

2.1.1、对象的抽象

  我们要得到OLED显示屏对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含两方面的特性：属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下OLED显示屏的对象。

  先来考虑属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑0.96英寸的OLED128x64显示屏对象属性。我们考虑SPI和I2C两种接口的情形，所以我们要分辨当前使用的接口形式以确定采取适当的操作方式，所以我们将端口类型设置为其属性以保存当前的操作接口类型。在I2C接口时，每一台I2C从设备都需要有一个设备地址，我们要记录当前从设备的地址，所以将其设置为属性。

  接着我们还需要考虑OLED显示屏对象的操作问题。在SPI接口模式下，我们需要控制复位、数据命令选择以及片选控制引脚，而在I2C接口模式下，我们需要控制复位引脚。这些控制引脚的操作都依赖于具体的硬件平台，所以我们将其作为对象的操作。我们要想OLED发送命令和数据，但不论是何种接口类型这一操作都依赖于具体的软硬件平台，所以我们将其作为对象的操作。为了控制操作时序，我们需要延时操作函数，而延时操作也依赖于具体的软硬件平台，所以我们将其作为对象的操作。

  根据上述我们对OLED显示屏的分析，我们可以定义OLED显示屏的对象类型如下：

/*定义OLED对象类型*/
typedef struct OledObject {
 uint8_t devAddress;
 OledPortType port;
 void (*Write)(struct OledObject *oled,uint8_t *wData,uint16_t wSize);
 void (*ChipSelcet)(OledCSType en);
 void (*DCSelcet)(OledDCType dc);
 void (*ChipReset)(OledRSTType rst);
 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);
}OledObjectType;

2.1.2、对象初始化

  我们知道，一个对象仅作声明是不能使用的，我们需要先对其进行初始化，所以这里我们来考虑OLED显示屏对象的初始化函数。一般来说，初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理；二是为对象的属性赋初值；三是对对象作必要的初始化配置。

  而且0.96英寸的OLED128x64显示屏在实现复位引脚的操作后将实现其初始化配置。据此我们设计OLED显示屏对象的初始化函数如下：

/*OLED显示屏对象初始化*/
void OledInitialization(OledObjectType *oled,      //OLED对象
        OledPortType port,       //通讯端口
        uint8_t address,        //I2C设备地址
        OledWrite write,        //写数据函数
        OledChipReset rst,       //复位信号操作函数指针
        OledDCSelcet dc,        //DC信号控制函数指针
        OledChipSelcet cs,       //SPI片选信号函数指针
        OledDelayms delayms       //毫秒延时函数指针
        )
{
 if((oled==NULL)||(write==NULL)||(rst==NULL) ||(delayms==NULL))
 {
  return;
 }
 oled->Write=write;
 oled->ChipReset=rst;
 oled->Delayms=delayms;
 
 oled->port=port;
 
 if(port==OLED_I2C)
 {
  if((address==0x3C)||(address==0x3D))
  {
   oled->devAddress=(address<<1);
  }
  else if((address==0x78)||(address==0x7A))
  {
   oled->devAddress=address;
  }
  else
  {
   oled->devAddress=0x00;
  }
 
 if(dc==NULL)
 {
  return;
 }
  oled->DCSelcet=dc;
  oled->ChipSelcet=cs;
 }
 else
 {
  oled->devAddress=0xFF;
  
  if(cs==NULL)
  {
   oled->ChipSelcet=OledChipSelect;
  }
  else
  {
   oled->ChipSelcet=cs;
  }
  oled->DCSelcet=dc;
 }
 
 oled->ChipReset(OLED_WORK);
 oled->Delayms(100);
 oled->ChipReset(OLED_RESET);
 oled->Delayms(100);
 oled->ChipReset(OLED_WORK);
 
 SendToOled(oled,0xAE,OLEDDC_Command); //关闭显示
 SendToOled(oled,0x20,OLEDDC_Command); //Set Memory Addressing Mode    
 SendToOled(oled,0x10,OLEDDC_Command); //00,Horizontal Addressing Mode;01,Vertical Addressing Mode;10,Page Addressing Mode (RESET);11,Invalid
 SendToOled(oled,0xB0,OLEDDC_Command); //Set Page Start Address for Page Addressing Mode,0-7
 SendToOled(oled,0xA1,OLEDDC_Command); //0xa0，X轴正常显示；0xa1，X轴镜像显示
 SendToOled(oled,0xC8,OLEDDC_Command); //0xc0，Y轴正常显示；0xc8，Y轴镜像显示
 SendToOled(oled,0x00,OLEDDC_Command); //设置列地址低4位
 SendToOled(oled,0x10,OLEDDC_Command); //设置列地址高4位
 SendToOled(oled,0x40,OLEDDC_Command); //设置起始线地址
 
 SendToOled(oled,0x81,OLEDDC_Command); //设置对比度值
 SendToOled(oled,0x7F,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xA6,OLEDDC_Command); //0xa6,正常显示模式;0xa7，
 
 SendToOled(oled,0xA8,OLEDDC_Command); //--set multiplex ratio(1 to 64)
 SendToOled(oled,0x3F,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xA4,OLEDDC_Command); //0xa4,显示跟随RAM的改变而改变;0xa5,显示内容忽略RAM的内容
 
 SendToOled(oled,0xD3,OLEDDC_Command); //设置显示偏移
 SendToOled(oled,0x00,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xD5,OLEDDC_Command); //设置内部显示时钟频率
 SendToOled(oled,0xF0,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xD9,OLEDDC_Command); //--set pre-charge period
 SendToOled(oled,0x22,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xDA,OLEDDC_Command); //--set com pins hardware configuration
 SendToOled(oled,0x12,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xDB,OLEDDC_Command); //--set vcomh
 SendToOled(oled,0x20,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0x8D,OLEDDC_Command); //--set DC-DC enable
 SendToOled(oled,0x14,OLEDDC_Command); //------
 
 SendToOled(oled,0xAF,OLEDDC_Command); //打开显示
 
 OledClearScreen(oled);
}

2.2、对象操作

  我们已经完成了OLED显示屏对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息，接下来我们还要实现面向OLED显示屏的各类操作。

  对于0.96英寸的OLED128x64显示屏来说，不论是采用何种接口方式，也不论是需要显示什么内容。对于我们来说，虽然在不同的接口模式下操作会有些许差别，但本质上都是向OLED写数据。

  在SPI接口模式下，我们在向OLED发送数据和命令时，需要同时操作片选信号和数据命令选择信号，以表明需要操作的对象和发送的是数据还是命令。具体的操作时序如下：

  在I2C接口模式下，我们在向OLED发送数据和命令时，没有片选和数据命令选择信号，所以我们需要发送从站地址以区分要操作的对象，需要发送控制字节以区分是数据还是命令。具体的操作时序如下：

  根据前述对0.96英寸的OLED128x64显示屏的描述以及上述时序图，我们可以编写向OLED发送数据的函数如下：

/*向OLED发送数据*/
static void SendToOled(OledObjectType *oled,uint8_t sData,OledDCType type)
{
 uint8_t wData[2];
 
 if(oled->port==OLED_SPI)
 {
  oled->ChipSelcet(OLEDCS_Enable);
  
  if(type==OLEDDC_Command)
  {
   oled->DCSelcet(OLEDDC_Command);
  }
  else
  {
   oled->DCSelcet(OLEDDC_Data);
  }
  
  oled->Write(oled,&sData,1);
  
  oled->ChipSelcet(OLEDCS_Disable);
 }
 else
 {
  if(type==OLEDDC_Command)
  {
   wData[0]=0x00;
  }
  else
  {
   wData[0]=0x40;
  }
  
  wData[1]=sData;
  
  oled->Write(oled,wData,2);
 }
}

3、驱动的使用

  我们已经实现了0.96英寸的OLED128x64显示屏驱动设计及实现，现在我们需要对这一驱动进行验证，基于此我们需要设计一个简单的验证应用。

3.1、声明并初始化对象

  使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象，所以我们先要使用前面定义的OLED显示屏对象类型声明一个OLED显示屏对象变量，具体操作格式如下：

  OledObjectType oled;

  声明了这个对象变量并不能立即使用，我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下：

  OledObjectType *oled, //OLED对象

  OledPortType port, //通讯端口

   uint8_t address, //I2C设备地址

  OledWrite write, //写数据函数

  OledChipReset rst, //复位信号操作函数指针

  OledDCSelcet dc, //DC信号控制函数指针

  OledChipSelcet cs, //SPI片选信号函数指针

  OledDelayms delayms //毫秒延时函数指针

  对于这些参数，对象变量我们已经定义了。所使用的通讯接口方式为枚举，根据实际情况选择就好了。而从站地址对于OLED来说，有几种选择，根据实际情况输入就可。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：

/*向OLED下发指令，指令格式均为1个字节*/
typedef void (*OledWrite)(OledObjectType *oled,uint8_t *wData,uint16_t wSize);

/*复位信号操作函数指针*/
typedef void (*OledChipReset)(OledRSTType rst);

/*数据命令，用于SPI接口*/
typedef void (*OledDCSelcet)(OledDCType dc);

/*片选信号,用于SPI接口*/
typedef void (*OledChipSelcet)(OledCSType en);   

/*毫秒秒延时函数*/
typedef void (*OledDelayms)(volatile uint32_t nTime);

  对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：

void WriteDataToLED(struct OledObject *oled,uint8_t *wData,uint16_t wSize)
{
 HAL_I2C_Master_Transmit(&oledhi2c,oled->devAddress,wData,wSize,1000);
}

void OLedChipResetf(OledRSTType rst)
{
 HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,GPIO_PIN_8,(GPIO_PinState)rst);
}

  对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：

/*OLED显示屏对象初始化*/
OledInitialization(&oled,     //OLED对象
         OLED_I2C,    //通讯端口
         0x78,      //I2C设备地址
         WriteDataToLED, //写数据函数
         OLedChipResetf, //复位信号操作函数指针
         NULL,      //DC信号控制函数指针
         NULL,      //SPI片选信号函数指针
         HAL_Delay    //毫秒延时函数指针
         );

  因在I2C接口模式下，片选信号和数据命令选择信号并不需要控制所以以NULL输入即可。

3.2、基于对象进行操作

  我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经针对不同的字体大小设置了不同的操作函数，接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。

/*OLED显示信息*/
void OledDisplayMessage(void)
{
 /* 世(0) 界(1) 你(2) 好(3)*/
 uint8_t chinChar[4][32]={
  {0x20,0x20,0x20,0xFE,0x20,0x20,0xFF,0x20,0x20,0x20,0xFF,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00,
  0x00,0x00,0x00,0x7F,0x40,0x40,0x47,0x44,0x44,0x44,0x47,0x40,0x40,0x40,0x00,0x00},//"世",0
  {0x00,0x00,0x00,0xFE,0x92,0x92,0x92,0xFE,0x92,0x92,0x92,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,
  0x08,0x08,0x04,0x84,0x62,0x1E,0x01,0x00,0x01,0xFE,0x02,0x04,0x04,0x08,0x08,0x00},//"界",1
  {0x00,0x80,0x60,0xF8,0x07,0x40,0x20,0x18,0x0F,0x08,0xC8,0x08,0x08,0x28,0x18,0x00,
  0x01,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x10,0x0C,0x03,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x01,0x06,0x18,0x00},//"你",2
  {0x10,0x10,0xF0,0x1F,0x10,0xF0,0x00,0x80,0x82,0x82,0xE2,0x92,0x8A,0x86,0x80,0x00,
  0x40,0x22,0x15,0x08,0x16,0x61,0x00,0x00,0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00}//"好",3
 };
 
 char pStr[]="Hello, World!";
 
 float x=1.1;
 float y=2.2;
 float z=3.3;
 
 //显示16x16的汉字
 OledShow16x16Char(&oled,0,32,chinChar[0]);
 OledShow16x16Char(&oled,0,48,chinChar[1]);
 OledShow16x16Char(&oled,0,64,chinChar[2]);
 OledShow16x16Char(&oled,0,80,chinChar[3]);
 
 //显示8x16的ASCII字符
 OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,2,32,pStr);
 //显示8x16的ASCII字符
 OledShowString(&oled,OLED_FONT_8x16,4,20,"X%0.1f,Y%0.1f,Z%0.1f",x,y,z);
 
}

4、应用总结

  在本篇中，我们设计并实现了0.96英寸的OLED128x64显示屏的驱动，并设计了一个简单的验证应用来验证这一驱动程序。在我们的验证应用中使用OLED显示了16下6点阵的中文字符，以及8x16点阵的ASCII字符，其显示效果与我们预期一致。

  在使用驱动时需注意，0.96英寸的OLED128x64显示屏支持SPI和I2C两种接口，而且SPI也支持3线和4线模式，但我们在测试应用中只使用了I2C接口，在I2C接口时，不需要控制片选信号和数据命令选择信号，所以在初始化时传递NULL值就可以了。

  在使用驱动时需注意，采用SPI接口的器件需要考虑片选操作的问题。如果片选信号是通过硬件电路来实现的，我们在初始化时给其传递NULL值。如果是软件操作片选则传递我们编写的片选操作函数。在使用SPI接口时，支持SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。