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电路图。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(Organic Light-Emitting Diode,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OLED IP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OLED IP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，驱动电路采用所罗门科技的SSD1306芯片。具体电路如图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:逻辑电路电源;

　　VBAT:DC/DC转换电路电源。

　　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,[!--empirenews.page--]

　　(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5 OLED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。