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OLED 设备组件

理论

OLED 即有机发光管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）或有机电激光显示（Organic Electroluminescence Display）。OLED 显示技术具有自发光、广视角、几乎无穷高的对比度、较低功耗、极高反应速度、可用于绕曲性面板、使用温度范围广、构造及制程简单等优点，被认为是下一代的平面显示屏新兴应用技术。OLED 显示和传统的 LCD 显示不同，其可以自发光，所以不需要背光灯，这使得 OLED 显示屏相对于 LCD 显示屏尺寸更薄，同时显示效果更优。

实车上 OLED 模块可用于显示关键信息、指示设备状态等场景。常用的 OLED 屏幕有蓝 /黄色、白色等几种，屏幕尺寸通常为 0.96 寸，分辨率 128 * 64，支持 SPI、I2C 等通信协议。实验室使用的 OLED 模块引出接口为 I2C，驱动芯片型号为 SSD1306，如下图所示：

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I2C 是一种半双工、双向二线制（数据线 SDA，时钟线 SCL）同步串行总线，总线允许挂载多个主设备，但总线时钟同一时刻只能由一个主设备产生，并且要求每个连接到总线上的器件都有唯一的 I2C 地址，从设备可以被主设备寻址。

以 RoboMaster 开发板 C 型为例，板上的用户 I2C 接口原理图和实物图如下图所示：

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对应的外设接口为 I2C2，SDA 对应引脚为 PF0，SCL 对应引脚为 PF1。

主要驱动原理

上述模块的 I2C 设备默认地址为 0x78.

我们通过 I2C 总线向 OLED 模块写指令和数据，使用 HAL 库封装的硬件 I2C；对于大量数据传输，开启 DMA 传输模式。通信协议如下图所示：

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在发送从机地址之后，首先发送一个控制字节（由 Co、D/C# 位和 6 个 “0” 组成）。

  • 如果 Co 位设置为逻辑 “0”，则此后通过 I2C 传输的信息全部为数据字节，即不需要再发送控制字节，直到本次传输结束。

  • D/C# 位确定下一个数据字节用作命令或数据。如果 D/C# 位设置为逻辑 “0”，将以下数据字节定义为命令。如果 D/C# 位设置为逻辑 “1”，则将以下数据字节定义为将要存储在 GDDRAM 中的数据。每次数据写入后，GDDRAM 列地址指针将自动增加1。

简而言之：

  • 发送 0x00 + ... 持续写入指令信息；

  • 发送 0x80 + 0x.. 单次写入指令信息；

  • 发送 0x40 + ... 持续写入数据信息；

  • 发送 0xC0 + 0x.. 单次写入数据信息。

在驱动 OLED 模块时，我们不去读取其显存（Graphic Display Data RAM, GDDRAM）的内容，而是在 STM32 中开辟一块大小相同的内存（8 pages * 128 bytes）作为 GDDRAM 映射的画板，完成操作后，使用持续写数据格式指令，将全部数据一次性写入 OLED 模块。GDDRAM 的结构如下图所示：

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当一个数据字节被写入 GDDRAM 时，当前列（SEG，程序中写为 COL）同一页（PAGE）的所有行（COM，程序中写为 ROW）图像数据都被填充（即由列地址指针指向的当前页整列 8 bit 数据被一次性填充）。数据位 D0 被写入顶行，数据位 D7 被写入底行。

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SSD1306中有三种不同的存储器寻址模式：页寻址模式（0x02）、水平寻址模式（0x00）和垂直（0x01）寻址模式。0x20, 0x02 / 0x00 / 0x01 时序组合命令将内存寻址方式设置为上述三种模式之一。由于我们需要一次性对整个显存进行操作，因此采取了对大面积读写而言更方便的水平寻址模式，该模式下：

  • 读 / 写 GDDRAM 后，列地址指针自动增加 1；

  • 如果列地址指针到达列结束地址，则列地址指针重置为列起始地址，页地址指针自动增加 1；

  • 当列和页地址指针都到达结束地址时，指针将重置为列起始地址和页起始地址。如下图所示：

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更多设备相关信息和指令含义可参考资料[2]：SDD1306 数据手册。

在生成字符或图标数据时，要求采取垂直扫描模式，从左至右，自顶至底，生成常量数组并按组件要求写入结构体。在组件中实现的 GDDRAM 映射画板不存在 “page” 的概念，这意味着一列数据最多可以有 64 bits。

可使用 bmp2lcd 软件生成字节数据 下载，例如：

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注意其输出大小为 64 * 64，对应了后续图标结构体中的 width 和 height 参数。

快速开始

组件源码仓库地址：https://github.com/ZJU-HelloWorld/HW-Components

要在项目中使用该组件，需添加仓库内的以下文件：

Text Only
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devices/dev_oled.c
devices/dev_oled.h
devices/dev_config.h
system.h

外设驱动配置

例如将上述 OLED 模块通过 8-Pin 牛角接插件连接至 RoboMaster 开发板 C 型 I2C2 接口，外设驱动流程如下：

  • 配置 I2C 模式，设置主机特性，其中速率模式为 Fast Mode，时钟频率 400 KHz；
  • 使能 DMA 发送以减小 CPU 占用，注意 event interrupt 也须使能，优先级可自行设置；

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使用前准备

使用前需要做以下准备：

  • 在使用 STM32CubeMX 生成项目时，请在 Code Generator 界面 Enable Full Assert，来帮助断言设备驱动中的错误；在 main.c 中修改 assert_failed 函数以指示断言结果，如添加 while(1);
  • 在 system.h 中 system options: user config 处进行系统设置
  • 在 dev_config.h 中设置 Conditional Compiling 选项，将使用到的设备对应的条件编译宏开关定义为 1.

示例

在项目中引用头文件：

C
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#include "dev_config.h"

实例化一个 OLED 设备，指定显示方向选项并初始化，默认开启显示，如：

C
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Oled_t oled;
OledInit(&oled, &HI2C_OLED, OLED_NORMAL); // OLED_NORMAL - 正; OLED_REMAP - 倒

生成所需的图标字节数据，指定其宽度、高度，创建需要显示的图标结构体，例如：

C
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static const uint8_t kCheckBoxOnlineDta[12 * 12] = {
    0x00, 0x00, 0x7F, 0xE0, 0x40, 0x20, 0x43, 0x20, 0x41, 0xA0, 0x40, 0xE0,
    0x43, 0xA0, 0x4F, 0x20, 0x5C, 0x20, 0x70, 0x20, 0x7F, 0xE0, 0x00, 0x00,
    /* 12 X 12 */
};
static const OledIcon_t kCheckBoxOnline = {
    .height = 12,
    .width = 12,
    .data = (uint8_t*)kCheckBoxOnlineDta};

在组件中还提供了 kCheckBoxOffline、kBatteryBox、kRmLogo 以及 kAscii1206（12 * 6 大小的 ASCII 字符）可供调用。

建议每次操作内存映射的画板前调用 clear 方法进行清空。使用给出的方法添加点、线、图标、字符或字符串，如：

C
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oled.clear(&oled);
oled.genIcon(&oled, 0, 0, &kRmLogo);
oled.printf(&oled, 60, 26, "%s", "HelloWorld!");

完成操作后，将数据一次性写入显存：

C
1
oled.refresh(&oled);

注意

  1. 请不要频繁调用能够开关屏显的方法，如 OledInit, displayOn, displayOff 等；
  2. 经测试，以 40Hz 频率调用 refresh 方法，DMA 能够正常工作而不进入 HAL_BUSY 状态。更高频率下 DMA 将出现丢包现象（但并不影响信息显示，实测 1KHz 依然能够刷新显示）。
  3. 当图像较大时，genIcon 方法将花费几毫秒的时间。因此，若需要展示图像，请提前 Generate；若图像需要实时变化，请尽可能提前 Generate 静态部分，并将调用方法的线程的优先级尽量降低。
  4. 由于 OLED 硬件初始化需要一段时间，请在 STM32 启动 30ms 后再调用 OLED 对象初始化函数，否则初始化函数将返回 DEV_NOSTATE. 初始化后，方可安全地调用方法。
  5. I2C 通信异常中断后（如异常终止 Debug、烧录代码等可能触发）将不能恢复正常工作，请重启电源。

组件说明

Oled 类

属性

名称 类型 示例值 描述
hi2c I2C_HandleTypeDef* &hi2c2 与 OLED 通信的 I2C 总线
gram OledGram_t / GDDRAM 在 STM32 内存中映射的画板结构体

方法

名称 参数说明 描述
OledInit 传入 I2C 句柄指针、GRAM 结构体指针 用传入的参数初始化一个 OLED 设备。
displayOn 根据 DMA 传输状态，返回设备状态类型 DevStatus_t 开启 OLED 屏显。
displayOff 根据 DMA 传输状态，返回设备状态类型 DevStatus_t 关闭 OLED 屏显。
refresh 根据 DMA 传输状态，返回设备状态类型 DevStatus_t 将数据写入 GDDRAM，刷新显示。
clear / 清空内存中映射的画板。
inverse / 将内存中映射的画板反色。
genPoint 指定画笔类型 Pen_t pen，然后传入点坐标 (x, y)，x 代表第 x 列，y 代表第 y 行 用指定的笔刷改变画板上的一点。
genLine 传入点坐标 (x1, y1) (x2, y2)，标识线段的起点和终点 在画板上绘制一条线段。
genIcon 传入点坐标 (x, y)，标识图标左上角起点；传入图标结构体常量的指针 在画板上绘制一个图标。
putChar 传入点坐标 (x, y)，标识字符左上角起点；传入一个字符 在画板上输出一个字符。
puts 传入点坐标 (x, y)，标识字符串左上角起点；传入字符串常量的指针 在画板上输出一串字符，遇边界换行。
printf 传入点坐标 (x, y)，标识字符串左上角起点；传入格式标签，然后紧跟需要被格式化的字符串 在画板上输出一串格式化字符，遇边界换行，最大长度为 128 字节。

运行时参数

运行时传入的相关参数。

名称 类型 示例值 描述
pen OledPen_t PEN_CLEAR
PEN_WRITE
PEN_INVER		 对一个点，选择笔刷类型。
dir OledDirection_t OLED_NORMAL
OLED_REMAP		 OELD 显示方向。

OledGram 结构体

名称 类型 示例值 描述
gram_cmd OledCtrlType_t OLED_CMD
OLED_ONE_CMD
OLED_DTA		 控制字节类型。
gram_data uint8_t[8][128] / GDDRAM 在 STM32 内存中映射的画板。

OledIcon 结构体

名称 类型 示例值 描述
width uint16_t 64 图标宽度（1 ~ 128）
height uint16_t 32 图标高度（1 ~ 64）
data unit8_t* / 图标数据数组指针

内置图标和字模：

kCheckBoxOnline - 设备在线框（12 * 12）

kCheckBoxOffline - 设备离线框（12 * 12）

kBatteryBox - 电池框（25 * 14）

kRmLogo - RoboMaster 徽标（64 * 64）

kAscii1206 ASCII 字符（6 * 12）

附录

版本说明

版本号 发布日期 说明 贡献者
2022.12.09 发布 OLED 组件 薛东来
2022.12.16 更新 CubeMX 配置说明 薛东来

参考资料

[1] RoboMaster 开发板 C 型嵌入式软件教程文档. Github 仓库

[2] SSD1306 数据手册