邢艷芳，張延冬

（1.中國傳媒大學南廣學院 傳媒技術學院，江蘇 南京211172；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京，211102）

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(qū)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［1－3］。

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。

文章詳細闡述了基于Zynq的OLED 驅(qū)動設計步驟和方法［6］，并且在基于Zynq 的開發(fā)板ZedBoard上實現(xiàn)了實時顯示字母、數(shù)字和點陣圖像，為Zynq在儀器儀表領域?qū)崿F(xiàn)人機交互提供了技術支撐。

2 OLED 驅(qū)動設計流程

Zynq是一個ARM PS＋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［7］，再通過SDK 設計驅(qū)動程序，OLED 驅(qū)動設計流程如圖1所示。

圖1 OLED 驅(qū)動設計流程Fig.1 Design flow of OLED driver

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(qū)動程序，即可實現(xiàn)對OLED 的控制，如圖2所示。

圖2 OLED 系統(tǒng)設計圖Fig.2 Design diagram of OLED system

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(qū)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(qū)動電路采用所羅門科技的SSD1306芯片［8］。具體電路如圖3所示。根據(jù)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：

我的老家在沂蒙山腹地，周圍都是連綿的高山。村里修了平整的水泥路，與這里的環(huán)境相得益彰。等車子駛進了村子，一股暖洋洋的春風吹過，那久違的熟悉的泥土味道、莊稼的味道、村莊的味道、炊煙的味道直撲鼻翼，如我幼時一樣，讓我聞到了故鄉(xiāng)的味道。我和父親先下了車，我們要抄一條小道走回家，母親只好自己先開車回去。

RST（RES）：硬復位OLED；

DC：命令／數(shù)據(jù)標志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）；

SCLK：串行時鐘線；

SDIN：串行數(shù)據(jù)線；

VDD：邏輯電路電源；

VBAT：DC／DC轉(zhuǎn)換電路電源。

在SPI模式下，每個數(shù)據(jù)長度均為8 位，在SCLK 的上升沿，數(shù)據(jù)從SDIN 移入到SSD1306，并且是高位在前的。

圖3 OLED 原理圖Fig.3 OLED scheme diagram

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(qū)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(jù)芯片型號，根據(jù)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IP my＿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＿oled IP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：

PORT DC＝""，DIR＝O

PORT RES＝""，DIR＝O

PORT SCLK＝""，DIR＝O

PORT SDIN＝""，DIR＝O

PORT VBAT＝""，DIR＝O

PORT VDD＝""，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：

將用戶端口和IP 核端口進行映射，代碼如下：

（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。

4 OLED 驅(qū)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(shù)據(jù)的傳輸。OLED 的控制需要經(jīng)過初始化、傳數(shù)據(jù)和命令以及對顯存設置等操作實現(xiàn)［9－10］。

4.1 初始化

驅(qū)動IC的初始化代碼，可以參考廠家推薦的設置，但需要根據(jù)開發(fā)板上OLED 實際參數(shù)進行一些修改。

根據(jù)SSD1306數(shù)據(jù)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。

按照圖4參數(shù)，逐步把命令寫入SSD1306即可實現(xiàn)對SSD1306的初始化。

圖4 SSD1306初始化步驟Fig.4 SSD1306initialization step

4.2 寫數(shù)據(jù)和命令的實現(xiàn)

在SCLK 時鐘下，根據(jù)要寫入的數(shù)據(jù)或者命令，設置SDIN 引腳的電平，一位一位地把數(shù)據(jù)寫入SSD1306。SSD1306 每次傳送的命令和數(shù)據(jù)均為一個字節(jié)，傳送數(shù)據(jù)和命令的區(qū)別是通過Set＿OLED＿DC 宏，設置該函數(shù)為寫數(shù)據(jù)，通過Clr＿OLED＿DC 宏，設置該函數(shù)為寫命令。實現(xiàn)一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸代碼如下：

4.3 顯存數(shù)據(jù)寫入SSD1306存儲器

我們采用的辦法是在PS 的內(nèi)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：

void OLED＿Refresh＿Gram（void）

4.4 顯示結果

系統(tǒng)實現(xiàn)了OLED 的字母、數(shù)字和點陣圖形實時顯示，如圖5所示。

圖5 OLED 運行結果Fig.5 OLED’s operation result

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(qū)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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