基于C8051F020和USB的OLED控制系统设计

1  引言
与传统的液晶显示屏相比，OLED显示模块具有高亮度、高对比度、宽视角、响应速度快、功耗低等特点。因此，随着电子产品高度集成化的发展，OLED显示模块在移动终端、工业控制、便携式电子产品等领域应用十分广泛。本文介绍了一种将USB技术应用于OLED显示控制系统中的设计，该系统以C8051F020为核心控制器件。由于USB具有安装方便、高速、灵活、低成本、易扩展、支持热插拔等优点，使得本系统可以轻松地实现在线数据更新，并通过外扩的Flash实现系统的脱机显示。
2  系统简介
系统的工作和组成原理如图1所示。
如图1所示，整个系统由单片机、OLED显示模块、USB模块、外扩数据存储器模块组成。核心控制芯片是Silicon公司的C8051F020,这是一款功能强大的单片机；用来在线更新显示数据的USB模块，它以CH375V作为接口控制芯片，支持USB主机和USB设备两种方式；AMD公司的闪存AM29LV081B作为单片机外部扩展数据存储器。96×64像素的全彩色OLED显示屏，它的驱动IC采用Solomon公司的SSD1332。

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硬件设计
3.1 主要芯片介绍
（1）核心控制芯片C8051F020 单片机C8051F020是完全集成的混合信号系统级SCM芯片，具有64个数字I/O引脚，具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统，所有模拟和数字外设均可由用户固件配置为使能/禁止和配置。Flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
（2）USB接口芯片CH375

CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机和USB-DEVICE/SLAVE设备两种方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。在USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机等相连接。
CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备。
3.2 USB模块硬件电路设计
本文在C8051F020的使用中需要配置交叉开关，为了方便控制OLED的显示和系统的控制操作，除了CH375必需的一个中断外，还配置了两个定时器中断T1和T2以及一个外部中断。将USB连接产生的中断设置分配到INT0#，再多一个外部中断INT1#。还考虑到CH375支持串行通信，所以将其和单片机的串口通信也设计在内，使用TX0和RX0。但是在串行方式下工作，数据传输速度慢，所以本文的研究采取并行接口。根据单片机优先权交叉开关译码表，按照优先级别，TX0使用P0.0，RX0使用P0.1，INT0#使用P0.2，T1使用P0.3，INT1#使用P0.4，由于P0.5～0.7由外部数据存储器接口驱动，所以T2使用P1.0。图2为USB模块的连接电路图。

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CH375芯片的RD#和WR#分别连接到单片机的读选通输出引脚RD#(P0.6)和写选通输出引脚WR#(P0.7)。CS#由地址译码电路驱动，用于当单片机具有多个外围器件时进行设备选择。INT#输出的中断请求是低电平有效，连接到单片机的中断输入引脚P0.2，单片机使用中断方式获知中断请求。当WR#为高电平并且CS#和RD#及A0都为低电平时，CH375中的数据通过D7～D0输出；当RD#为高电平并且CS#和WR#及A0都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375芯片中；当RD#为高电平并且CS#和WR#都为低电平而A0为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。
3.3 外部数据存储模块
对于全彩的 96×64像素的 OLED屏，每个像素由两个字节组成，显示一幅图片需要的内存空间为 96×64×2=12.288KB，而本文采用的单片机内部只有 64KB的 Flash存储器，最多只能显示 5幅图片，如果要显示图像是不可能的，所以必须在外部扩展数据存储器，使之能够显示动态图像。图 3为外扩的 Flash与单片机的连接框图。
 

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本文的外部存储器接口工作在复用方式，通过配置 PRTSEL（EMIOCF.5）的状态决定 EMIF工作在低端口或是高端口错误！未找到引用源。。本文对外部存储器Flash的读写采用高端口（P4～P7）。地址总线A19～16使用P4.4～P4.1脚，地址总线A15～8使用 P6口，地址总线低 8位A7～0与数据总线复用 P7口，ALE使用P4.5，RD#使用P4.6，WR#使用 P4.7。
在复用方式下工作时，要用一个外部锁存器保持 RAM地址的低 8位。本文的外部锁存器选74LS373。它由ALE（地址锁存使能）信号控制，ALE信号由单片机外部存储器接口逻辑驱动。在复用方式工作时，可以根据 ALE信号的状态分两个阶段，在第一个阶段，ALE为高电平，锁存器选通，锁存器的 Q输出与 D输入状态相同，P7输出为地址总线的低 8位。ALE由高变低标志第二阶段开始，锁存器的输出保持不变，即与锁存器的输入无关。在第二阶段稍后，当RD#（P4.6）或 WR#（P4.7）有效时，数据总线控制 P7端口的状态。
3.4 OLED显示模块
此模块的驱动电路核心部分应用 Solomon公司的SSD1332芯片，在驱动电路获得控制信号和显示数据后，由芯片 SSD1332产生 OLED所需的行驱动和列驱动的信号，驱动OLED，并把显示数据传送到 OLED显示。
4 读取显示数据程序设计
本文研究的该部分的程序主要是显示数据的采集，它是通过中断响应方式进行的。CH375的中断信号INT#连接单片机的INT0，设置成外部中断，配置为下降沿触发输入，由IT0（TCON.0）和IT1（TCON.2）的设置决定，IE0（TCON.1）为外部中断INT0的中断标志，产生中断后即CPU在转向ISR时自动清除响应的中断标志。该中断的初始化程序如下： void INT_Init(void) {
EA = 1;  //中断总允许
EX0 = 1; //INT0中断允许
IT0 = 1; //INT0设置为下降沿触发
PX0 = 1; //INT0(/UINT)设置为高优先级，可中断其他正在执行的中断程序 }
程序中将 CH375中断信号设为最高优先级，一旦有 U盘插入，立即产生中断，之后进入中断程序入口，执行中断程序，进行文件数据的读取操作。软件实现如错误！未找到引用源。所示，首先调用CH375DiskConnect()查询是否真的有 U盘插入，否则的话立即返回主程序，继续执行原来的程序，如果有 U盘插入，接着调用CH375Init()，进行初始化复位；然后判断 U盘是否准备好，等待其准备好后，即可调用函数CH375FileOpen()，根据参数（一般是文件名和完整的路径名）打开指定的文件。文件如果不能正常打开，可能文件并不存在，立即返回主程序，结束本次读取，也可以通过调用CH375FileEnumer()查询文件是否存在。文件正常打开后，调用 CH375ByteLocate()函数执行指针定位，以字节为单位移动当前文件指针，进入字节模式。然后调用CH375ByteRead()，以字节为基本单位从当前文件读取数据。全部读完后，调用CH375FileClose()关闭文件，并返回主程序，最后完成数据的读取。
5结论
本文所设计的系统能够实现文字、图片和图像的动静态显示。并将USB接口设计在内，实现嵌入式USB主机，使系统可以作为USB主机与U盘通信，通过读U盘来完成显示数据的更新，使嵌入式系统和移动存储设备能够在脱离PC机的情况下进行数据交换。增强了电路系统的实用性，扩大了其应用范围。