【瑞萨RA8D1开发板，基于M85内核的图形MCU测评】RT-Thread I2C驱动OLED

Bruceou

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开发环境：

IDE：MKD 5.38a

开发板：CPKCOR-RA8D1B开发板

MCU：R7FA8D1BHEC332AS00

1 RA8D1 I2C简介

I2C 通讯协议（Inter-Integrated Circuit）是由Philips公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强， 不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

RA8D1有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，其功能框图如下图所示。

2 OLED简介

OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display， OELD）。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之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示，OLED 效果要来得好一些。 以目前的技术， OLED 的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。

Figure 2-1 OLED外部结构

OLED 显示模块有以下特点：

1）模块有单色和双色两种可选，单色为纯蓝色，而双色则为黄蓝双色。

2）尺寸小，显示尺寸为 0.96 寸，而模块的尺寸仅为 27mm*26mm 大小。

3）高分辨率，该模块的分辨率为 128*64。

4）多种接口方式，该模块提供了总共 5 种接口包括：6800、 8080 两种并行接口方式、3线或 4 线的穿行 SPI 接口方式、 IIC 接口方式（只需要 2 根线就可以控制 OLED）。

Table 2-1 MCU interface assignment under different bus interface mode

5）不需要高压，直接接 3.3V 就可以工作了。

本文将介绍基于I2C接口的OLED显示。

2.1 OLED的I2C通信协议

I2C总线协议允许数据和命令在设备间的通讯。

2.1.1 I2C写模式

I2C总线接口允许将数据和命令写入设备。

Figure 2-2 I2C写格式

1.主设备开始数据通讯通过开始条件，开始条件的定义如下图。开始条件发生在SCL高电平期间，SDA产生一个下降沿的跳变。

Figure 2-3 I2C起始和停止信号

2.从地址紧跟着开始信号，用于设备从设备。对于SSD1306来说，从地址可能是“b0111100”或者“b0111101”。通过改变“SA0位”为0或1，（D/C引脚作为SA0）。

3.写模式发生在R/W#位是低电平。

4.应答信号在接收到一个字节的数据后有从设备产生，包括从地址和R/W#位，参考下面关于应答信号的图示。应答信号定义为在SCL时钟周期的高电平期间SDA拉低。

Figure 2-4 I2C应答信号

5.在从地址发送结束后，不管是控制字节还是数据姐姐都可以发送通过SDA线。一个控制字节主要包括Co位和D/C#位在六个0后，

1. 如果Co位为低电平，发送的后续信息只能是数据字节。
2. D/C#位决定下一个数据字节是数据还是命令字节，如果D/C#字节设置为低电平，这意味着下一个字节是命令字节，如果D/C#为是高电平，下一个数据字节是数据字节，将被存储在GDDRAM中，GDDRAM的列地址指针在每一个数据写之后自加一。

6. 应答为在接收到一个数据字节或只命令字节后产生。

7. 写模式在接受到停止信号之后结束。停止信号发生在SCL高点平期间SDA的上升沿，作为停止信号。

2.1.2 命令解码器

这个模块用来决定输入的到底是数据还是命令，通过D/ C#位来判断。

如果D/C#是高电平，D[7:0]是作为显示数据写在图像数据随机存储器中(GDDRM)，如果是低电平，输入的数据是被理解为命令。然后数据输入被解码并且写在相应的命令寄存器中。

2.1.3 振荡器电路和显示时间发生器

这个模块是一个片上低功耗RC振荡电路。工作时钟（CLK）可以由内部振荡器产生或者外部时钟源（CL引脚），通过引脚CLS选择，如果CLS引脚被拉到高电平，内部的时钟被选择，CL应该开路，将CLS引脚拉低则不使用内部振荡电路，这时为了工作正常一定要连接CL引脚。当内部振荡器被选择时，输出频率Fosc由命令D5h A[7:4]改变。

EEWORLDIMGTK6

Figure 2-5 振荡器电路

显示时序发生器的显示时钟（DCLK）源于CLK。分频系数D可以通过命令D5H 从1变到16。

DCLK = F_OSC / D

显示帧频率由以下公式决定：

EEWORLDIMGTK7

• D代表时钟分频率，通过命令D5H A[3:0]决定，范围是从1到16.
• K是每行的显示时钟，该值源于K=相1周期+相2周期+BANK0脉宽 =2+2+54(电源复位时)
• 多路复用比通过命令A8H配置，复位值是（64MUX）。
• Fosc是振荡器频率，可以通过命令D5h [7:4]改变，这个值越大,设置的最终频率越高。

2.1.4 FR Synchronization

向OLED驱动器写一个新的图片的开始时间依赖于MCU的写速度，如果MCU可以完成写一帧图片在一个帧周期内，这个MCU被分类位高速写MCU。对于MCU需要更长的时间完成写操作（超过一个帧周期但每到两个帧周期），就是慢速的一种了。

Figure 2-6 FR同步信号

• 对于高速写微控制器：MCU应该开启向ram里写一个新的帧数据紧跟在FR的上升沿之后，并且应该在下一个上升沿到来之前完成。
• 对于低速写微控制器：MCU在第一个下降沿之前开始写，必须在第三个FR脉冲上升沿到来之前完成。

2.1.5 段驱动器和公共驱动器

段驱动器给予128个电流源来驱动OLED板，驱动电流可以在0~100uA调节（256份），公共驱动器发生电压扫描脉冲。

段驱动波形被分割成三相：

1. 在相1，OLED上一个图片的像素放电为了准备下一个图像显示内容。
2. 在相2，OLED像素被驱动到目标电压，像素驱动到相当的对地电压，相2的周期可以被编程为1到16个DCLK的长度。如果OLED像素的电容值更大，需要更长的周期来给电容充电到达期望的电压值。
3. 在相3，OLED驱动选择使用电流源去驱动OLED像素，并且这时现在的电流驱动环节。

Figure 2-7 段驱动器输出波形

完成这三相之后，驱动IC将回到相1去显示下一个图片数据，这三步环节连续执行去刷新显示在OLED上。

在相3，如果电流驱动脉宽设置为50，在完成50个DCLK周期在现在的驱动相，驱动IC将回到相1继续下一个显示。

2.1.6 图片显示数据随机存储(GDDRAM)

GDDRAM是一个位映射静态RAM，保持位模式直到显示在OLED上，RAM的大小是128*64位且RAM分成8页，从第零页达第七页，用来存128*64个单色点阵显示，如下图所示。

Figure 2-8 图片显示数据随机存储器

但一个数据字节被写在GDDRAM中，当前页的所有的行图像数据被填满（例，一列（8位）使得列地址指针填满），数据为b0被写到最顶的一行，当数据位D7被写到最底下一行。如下图所示。

Figure 2-9 GDDRAM填充

为了灵活性，段复用和公共复用输出可以通过软件选择。

为了显示的垂直移动，一个内部寄存器存储显示开始行可以被设置通过RAM中的数据位置映射到显示屏上。（命令D3h）

2.1.7 开机和关机条件

下面用图解的方法给出了推荐的SSD1306开机和关机条件

OLED上电条件：

1. VDD上电
2. 在VDD电源稳定之后，设置RES#引脚为逻辑低至少3us然后拉高。
3. 在RES#处于低电平状态之后，扥带至少3us，然后打开VCC。
4. 在Vcc稳定后，发送命令AFh，打开显示。SEG/COM在100ms（Taf）后开启。

Figure 2-10 OLED开机时序

OLED关机条件：

1. 发送命令AEh，关闭显示。
2. 关掉Vcc。
3. 等待Toff,关闭VDD.（典型值toff=100ms）。

Figure 2-11 OLED关机条件

注意：

1. ESD保护电路连接达VDD和VCC之间，当VCC关闭时VDD比VCC要高。在图中用点线表示。
2. VCC在关闭时时浮空的。
3. 电源引脚（VDD，VCC）在关闭情况下一定不要拉到地。

3 RT-Thread 的I2C简介

I2C（Inter Integrated Circuit）总线是 PHILIPS 公司开发的一种半双工、双向二线制同步串行总线。I2C 总线传输数据时只需两根信号线，一根是双向数据线 SDA（serial data），另一根是双向时钟线 SCL（serial clock）。

I2C 总线允许同时有多个主设备存在，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，主设备启动数据传输并产生时钟信号，从设备被主设备寻址，同一时刻只允许有一个主设备。如下图所示：

一般情况下 MCU 的 I2C 器件都是作为主机和从机通讯，在 RT-Thread 中将 I2C 主机虚拟为 I2C总线设备，I2C 从机通过 I2C 设备接口和 I2C 总线通讯，相关接口如下所示：

函数	描述
rt_device_find()	根据 I2C 总线设备名称查找设备获取设备句柄
rt_i2c_transfer()	传输数据

关于I2C更详细的内容，请参看官方手册：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/device/i2c/i2c

4 硬件I2C

4.1 硬件I2C硬件连接

硬件接口如下：

笔者这里使用的I2C1，即P511和P512。

4.2 RA8D1 I2C配置

接下来配置I2C，只需要简单配置就可使用。双击工程中的 RA Smart Configurator 图标，第一次打开需要配置正确的 FSP 安装路径。

 

• FSP配置I2C
  1.配置I2C对应的引脚
  首先依次点击 “Pins” -> “Peripherals” -> “IIC” ，配置为I2C，对应的引脚为 P511，P512。如下图所示。
  
  2.配置I2C参数
  在 FSP 配置界面里面我们依次点击 “Stacks”-> “New Stack”-> “Connectivity”-> “I2C Master(r_iic_master) ” 来配置I2C模块。
  
  然后配置对应的参数。
  
  配置完成之后可以按下快捷键“Ctrl + S”保存， 最后点右上角的 “Generate Project Content” 按钮，让软件自动生成配置代码即可。
• 配置I2C接口
  然后打开对应的I2C接口。
  
  接下来就是配置OLED驱动，笔者这里使用的SSD1306的软件包。
  
  以上参数默认即可，笔者这里还使用了SSD1306的sample。

 

 

4.3 硬件I2C测试验证

编译下载，然后在终端输入“ssd1306_TestAll”即可进行测试。

正常情况下，OLED将会点亮。

5 软件I2C

5.1 软件I2C硬件连接

 

 

笔者这里使用P508和P509。

 

5.2 RA8D1 I2C配置

 

接下来配置I2C，FSP默认即可。

• RT-Thread Studio配置I2C

然后打开对应的I2C。

配置对应的pin为P508和P509。当然可以换成其他空闲的GPIO。

接下来就是配置OLED驱动，笔者这里使用的SSD1306的软件包。

以上参数默认即可，笔者这里还使用了SSD1306的sample。

5.3 软件I2C测试验证

编译下载，然后在终端输入“ssd1306_TestAll”即可进行测试。

正常情况下，OLED将会点亮。

Jacktang

Fosc是振荡器频率，可以通过命令进行设置的