OLED显示模块驱动原理及应用
本文以中景园OLED显示模块为例，介绍模块的应用和OLED显示及驱动的基本原理。文中介绍了显示模块、SSD1306驱动芯片以及GT20L16S1Y字库芯片相关技术内容及原理，并加上了作者的理解和应用记录。
一、 模块介绍
1. OLED显示屏基础
显示屏的发光单元是有机聚合物发光二级管，即organic/polymer light emitting diode，简称 OLED。单色屏的一个像素就是一个发光二极管。OLED是“自发光”，像素本身就是光源，所以对比度极高，显示效果很犀利，绝无朦朦胧胧、拖泥带水之感，深受爱好者追捧，可惜当前技术所限，无法大尺寸化，价格也比TFT液晶屏高得多。
OLED分PMOLED、AMOLED两种，PMOLED为无源驱动，AMOLED为有源驱动。本文介绍的模块显示屏为PMOLED。
2. 模块基本信息
模块外观如图1，型号为QG－2864KLBEG01，尺寸见图2。本模块显示颜色为1/4黄+3/4蓝，但仍属于单色屏，另有“蓝+白”组合色可选。模块接口为8个插针，针脚定义已印在板上，使用串行SPI协议。因为板载稳压芯片U2，模块供电电压可以是3－5V。模块自带中文字库芯片。
图1.模块正面及反面
图2.模块尺寸图
3. 模块器件及元件简介
1) OLED显示屏：128*64点阵OLED单色屏。下文简称为显示屏、屏、OLED屏。
2) SSD1306驱动芯片：模块上直接看不到，芯片封装在显示屏背面玻璃基板上。
3) GT20L16S1Y字库芯片：内部固化了8套字符的点阵数据，90%的容量都用来存储中文字库。
4) 接口及电源配置电路：8路插针，板载低压差降压稳压芯片662K。
5) PCB板及若干外围电阻电容元件。模块厂家已做好外围电路，不用再操心硬件电路。
4. 模块电路图
图3、模块电原理图
供电：模块供电输入端为VCC_IN，经U2降压后供U1、U4等电路。OLED屏驱动需要7－7.5V电压，由SSD1306内置电荷泵升压后提供。
接口：SSD1306支持并行、SPI及I2C等串行协议，本模块通过BS0－BS2这三个引脚接地，已设置为SPI协议，与U4汉字库芯片共享SPI接口，工作时通过芯片的片选引脚来区分，读写时应将目标芯片的CS引脚置为低电平。
其他外围电路：R5=910K，设置恒流源参考电流；R6、R7为数据线上拉电阻；RES#接复位电路，其他电路参见驱动芯片数据手册。
二、 显示屏及驱动的电气连接
1. 显示屏尺度及引脚
本模块显示区域尺寸为：宽21.744毫米，高10.864毫米，因此有效显示面积为2.36平方厘米，作为对比，一元硬币的面积为4.9平方厘米，整个模块也仅一个硬币大小，不要被网上放大的图片所误导。就在这2.36平方厘米的面积里，做进了8192个发光二级管，每个发光点就是一个像素，这些点组成了一个“阵列”，因此也叫“点阵”。点阵分成128列，64行，每个像素尺寸仅0.154*0.154毫米，像素间距0.016毫米。进入这种尺度，用微米作单位更合适。
图4.显示屏像素示意图
显示屏有8192个像素，每个发光点都有正负两个电极，全部引出8192*2个驱动电极是不现实的，实际做法是把每列的正极都接在一起引出一个电极，定义为一个段（SEG），把每行的负级接在一起引出一个电极，定义为一个公共极（COM），这样128*64的点阵，只需要引出128个段引脚、64个公共极引脚、一共有192个引脚就可以了。
2. 驱动芯片的尺度及引脚
驱动芯片SSD1306尺寸很小，只有6.76X0.86毫米，长条形，四周一圈上有281个引脚，为提高导电率，这些引脚都是镀金的，可能是纯金的，厚度也就几个微米。这些引脚很瘦弱，尺度在30－80微米间。芯片上的几个十字形或圆孔形的对标孔，是安装时与玻璃基板上电极精确定位用的。
图5. 驱动芯片SSD1306尺寸示意图
281个引脚中，192个引脚就是专门伺候那块屏的，还有30个引脚通过 “柔性电路板”接在本模块的印制线路板上，相关外围器件均已焊接好。仅有4个脚最终通过模块的插针提供给用户：数据、时钟、片选和指令数据脚，简化了使用。其他一些引脚用于供电，还有一些未被使用。
3. COG封装技术
驱动芯片与显示屏的192路“微米”级电气连接，传统PCB布线只能羞愧退场，代之于COG封装技术，即clip on glass，安装时，引脚一一对应后，通过热压方式直接把芯片“粘”在屏的玻璃基板上。这个粘芯片的粘合剂称为ACF，是一种各向异性的导电胶，在垂直方向上导电、而在水平方向绝缘。ACF技术细节不太清楚，但好处显而易见：可以整排引脚涂胶而不用担心电极间短路。
30个控制引脚，是用柔性印刷线路板（FPC）接出来的，FPC的引出端可以做成一个插头，连接到线路板或其他部件的插座上，也可以直接焊接到线路板上。本文介绍的模块就是直接焊接到线路板上的。下图是网上的示意图，并非本模块FPC。
图6. 柔性印刷电路板FPC 样图
三、 驱动原理及技术要点
1、 驱动技术要点
OLED屏天生丽质，驱动技术功不可没。事实上，材料及工艺缺陷的克服，显示效果的灵活多变，外围电路及操作的简化，全都依赖驱动电路设计。以本模块的驱动芯片SSD1306为例，其技术要点罗列如下，相关内容在文中各处详细介绍。
1) 行列式点阵扫描驱动：矩阵显示屏动辄上万像素的分辨率，除扫描驱动，别无选择。
2) 像素恒流驱动：OLED发光亮度与驱动电流有较好的线性关系。而电压与亮度呈幂级数关系，控制电路不易实现。
3) 预充电技术：因寄生电容影响，OLED屏各像素点亮不同步，预充电技术解决此问题。
4) 预放电技术：各像素寄生电容电压不一致，电压过高会造成恒流驱动时无法准确控制其亮度，造成显示屏亮度不均匀。
5) 反向抑制技术：行列电极公用，会导致交叉效应，功能薄膜相连造成临近像素串扰，交叉和串扰效应会导致暗点发弱光，影响对比度。解决办法是加上反向电压来抑制。
6) 电荷泵技术：OLED面板恒流驱动时需要7－15V电源，电荷泵是一个升压电路。
7) 帧同步写入技术：该技术防止外部MCU写入数据速度滞后于帧频而造成一屏显示内容被撕裂的情形。
8) 多种显示方式：部分显示、顺序或隔行显示、行列倒置、256级对比度控制、水平及垂直滚动显示、写入换行次序定义等，均有专门操作指令，支持丰富的显示效果需求。
当然，驱动芯片技术远不止上述所列，上述技术可帮助我们理解及应用模块。
2、 点阵屏扫描驱动的基本原理
图7、显示点阵示意图
点阵屏像素按128列X64行组织，每一行128个像素单元的阴极是连接在一起，作为公共极（COM），每一列64个像素单元的阳极也连接在一起，作为一段（SEG）。行列交叉点上的LED就是一个显示单元，即一个像素。要点亮一个像素，只要在该像素所在列电极上加上正电压、行电极接地。同样，要驱动一整行图像，就需要同时把128列信号加载到列电极上，把该行行电极接地。该行显示时，其他63行均不能显示，其行电极应为高电平或悬空。
可见，整屏的显示，只能分时扫描进行，一行一行的显示，每次显示一行。行驱依次产生低电平扫描各行，列驱动读取显示数据依次加载到列电极上。扫描一行的时间称为行周期，完成一次全屏扫描，就叫做一帧。一般帧频为大于60，因此人眼观察不到逐行显示。每行扫描显示用时叫占空比，占空比小，为达到相同的显示亮度，驱动电流就大。SSD1306段驱动最大电流为100uA，当整行128个像素全部点亮时，行电极就要流过12.8mA的电流。
3、 OLED工艺问题及解决技术
OLED工艺上存在两个问题，一个是寄生电容，第二个是“单元串扰”。
先分析寄生电容的影响。一个像素的等效电路为一个发光二极管和一个电容并联，这个电容不是真正的器件，而是寄生电容，其容量约在22PF左右。一般要点亮一个OLED二极管，需要在阳极和阴极间加上大概4V左右的电压，这个电压叫开启电压，与制造材料有关。但寄生电容的存在，电源先要对电容充电，两端电压达到或超过二极管的开启电压后，二极管才会点亮。
图8、显示单元等效电路
寄生电容的存在，一是造成显示反应速度变慢；二是造成屏幕亮度不均，其原因是各寄生电容内电压不一致。AMOLED屏驱动电路解决办法是“预充电”，即对面板上所有寄生电容进行预充电，充到略低于二极管开启电压，当驱动信号到达时，无需等待即可点亮。PMOLED驱动电路的解决办法分3步走，不管电容原有电压高低，先全部放电，再统一充电到相同电压，最后加显示驱动信号。
第二个问题是“单元串扰”，即一个像素加载驱动电压或电流点亮，感应电压造成隔壁像素甚至同行同列像素微弱发光，这是OLED平面工艺的胎病，只能在驱动技术上动脑筋。解决办法是“反向抑制”，即对当前不显示的所有行加上反偏电压，即行电极（COM）加正电压Vcomh，当列电极驱动信号为0时，列电压接地，反压就是Vcomh。当列电极驱动信号为1时，列电极处于恒流驱动，列电压约在4V－Vcc间，此时反向抑制电压较小或接近于0，但不管反压大小，都能确保感应电荷及时被反压旁路掉。Vcomh可通过指令调节为Vcc 的0.65、0.77、0.83倍。
4、 行周期中的段驱动信号分析
有了上面的分析，就不难理解驱动芯片SSD1306数据手册中的“段输出波形图”。该图描述的是扫描某一行时，加载到列电极上的“段信号”波形。
图9、列（段）驱动信号3阶段
信号分成3个阶段，分别是放电、充电、恒流驱动，如上图标注1、2、3所示，每个阶段驱动信号的类型是不同的，时间长短也不同。因而其电路也较复杂，见图10所示。
阶段1：放电阶段，行列电极均接地，电容两端同电位，电容放电。放电时间可以通过指令调节，这跟电路内阻、电容大小有关，SSD1306默认为2DCLK。
阶段2：充电阶段，行电极接地，列电极接到一个略小于二极管开启电压的固定电压端进行充电，充电时间也可以通过指令调节，SSD1306默认也是2DCLK。
阶段3：充电结束后进入恒流驱动阶段，这个阶段持续50DCLK。需点亮像素被恒流源持续驱动，截止像素的列电极接地。
驱动电流从0－100uA分256极可调，调节电流就是调节亮度，不支持单个像素的灰度显示。
图10、驱动示意图（图片来源：OLED显示驱动及原理）
非扫描行的行电极接Vcomh时，各像素反偏，感应电被及时释放，就不会出现串扰现象。
假设帧频为100HZ，扫描一帧的时间就是10ms，一帧包括64行，每行扫描用时即行周期就是156us，每个行周期又分成54个显示时钟（DCLK），每个显示时钟为2.9us，预放电、充电都是占2个DCLK，为5.8us。DCLK可通过调节“振荡频率”及“分频因子”来调整，从而也调整了帧频。
四、 GDDRAM与OLED屏的对应关系
1. GDDRAM的作用
GDDRAM用于存储显示数据，用户通过MCU把数据写入RAM，同时向SSD1306发送相应的显示命令，驱动芯片会按用户指令要求自动进行逐帧扫描显示。与OLED屏128X64像素点阵对应，1个像素对应1个存储bit，因此 SSD1306驱动芯片内建1024字节的SRAM。
2. GDDRAM的逻辑结构
GDDRAM的逻辑存储结构是按页来组织的，相应地，OLED屏像素点阵空间也把每8行组织成1页，但128个列不作划分。整个显示区域（存储空间）被划分成8个“页”，每页8行、128列，每页对应128个字节，每个字节按竖向排列的，低位在上，高位在下，下图是第2页的存储映像示意图。
图11、页的存储结构示意图
“页”的划分是方便于显示字符图形，一页8个像素的高度可以显示一个ASC字符，两页合起来16个像素高度，正好可显示一个16X16像素点阵汉字。这样写数据就很方便，如要显示一个5X7尺寸的ASC字符，可连接写5个字节。要显示一个16X16的汉字，就需要在2页上分别写16个字节。如果字节的各位横向排列，每一个字节都要定位，无法连续写入。
3. 驱动电路细节
然而，GDDRAM与屏点阵的映像关系不是固定不变的，两者之间的桥梁就是驱动电路，依赖对操作指令的硬件译码，驱动电路提供了灵活的显示方式。理解驱动细节是理解多数指令的关键。SSD1306数据手册给出的驱动逻辑图较为简单，结合逻辑图及指令可分析驱动的一些实现细节。
图12、驱动电路功能逻辑示意图
行（公共极）驱动：行驱动产生周期性脉冲，负责逐行扫描。扫描顺序既支持从COM0到COM63的正向扫描，也支持从COM63－COM0的反向扫描。从上图可见，行驱动是分成两部分的，可实现逐行/隔行、顺序/交叉等不同的扫描方式。
列（段）驱动：段驱动加载SRAM中当前行的128列显示数据，通过图10所示的切换开关，先后切换到放电、充电及恒流驱动的输出电路上，完成一行的扫描周期。同行驱动一样，0－127路段信号既可以顺向加载，也可以反向加载。
行、列驱动的正/反方向扫描或加载设计，可以很方便地让用户实现显示内容的变换：行列同时反向，显示内容倒置，即旋转180度；仅行或仅列反向，显示内容在行或列方向上镜像。旋转90度是做不到的，除非在软件中重组整个SRAM的映像。
驱动电路还能显示部分行，而屏蔽掉另一部分；当然也能有选择地加载SRAM中的数据。
五、 SSD1306的指令系统解析
1. 指令表
有了前述显示驱动电路的原理分析，就不难理解SSD1306的指令。指令一共有23条，按功能分为五类。这些指令长短不一，短的为单字节指令，最长的为6字节指令。下面举例说明指令的格式：
第1条指令是一条亮度控制指令，格式为81,A[7:0]，有2个字节，第一个字节为81H，第二个字节表述为A[5:4]，是一个用户自定义参数的字节，其中A仅表示本条指令的第1个参数字节，如果是第2个参数字节则用B表示，注意这个A、B不是16进指令数值；[5:4]表示该字节的第5、第4位，这两位是可以设置参数的，该字节的其他6位取值需要查指令表，可能被明确定义为0或1，也可能取值无关（用*表示）。
SSD1306指令表：
| 指令类别 |
指令名称 |
指令代码（H） |
指令作用简介 |
| 一 基础指令 |
1. 亮度控制 |
81,A[7:0] |
参数A[]可设置256级亮度 |
| 2. 全显开关 |
A4/A5 |
A4正常显示，A5点亮全部像素 |
|
| 3. 反白开关 |
A6/A7 |
A6正常显示，A7反白显示 |
|
| 4. 显示开关 |
AE/AF |
AE关闭显示，AF打开显示 |
|
| 二 显示滚动 |
5. 水平滚动 |
26/27,00,B[],C[],D[],00,FF |
26水平右滚，27水平左滚 |
| 6. 双向滚动 |
29/2A,00, B[],C[],D[],E[] |
垂直+水平右/左滚动 |
|
| 7. 关闭滚动 |
2E |
|
|
| 8. 启动滚动 |
2F |
|
|
| 9. 垂直滚动区域 |
A3,A[],B[] |
A[]区域锁定不动，B[]区域滚动 |
|
| 三 地址设置 |
10. 起始列地址低 |
00~0F |
2个4位合成一个字节作为列指针，页模式下指定显示内容的列位置 |
| 11. 起始列地址高 |
10~1F |
||
| 12. 地址模式 |
20,A[] |
3种模式：页，水平，垂直 |
|
| 13. 列(起止)地址 |
21,A[],B[] |
水平或垂直模式时，指定行列起止地址来描写一块连续写入存储区域 |
|
| 14. 页(起止)地址 |
22,A[],B[] |
||
| 15. 页起始地址 |
B0~B7 |
页模式下，指定要写入的页 |
|
| 四 硬件配置 |
16. 显示起始行 |
40~7F |
从RAM中哪一行起读取显示内容 |
| 17. 段重映像 |
A0/A1 |
A1：列显示次序反向 |
|
| 18. 行扫多路系数 |
A8,A[] |
设置只扫描哪些行（16~64） |
|
| 19. 行扫方向 |
C0/C8 |
C8：行扫描次序反向 |
|
| 20. 行扫偏移 |
D3,A[5:0] |
公共极（垂直）方向移动A[]行 |
|
| 21. 行扫配置 |
DA,A[] |
4种组合，再结合行扫方向有8种 |
|
| 22. 升压泵开关 |
8D,A[] |
打开或关闭内置升压泵 |
|
| 五 时序设置 |
23. 时钟分频 |
D5,A[] |
16级振荡频率及16级分频设置 |
| 24. 充放电周期 |
D9,A[] |
16级充电、放电周期设置 |
|
| 25. Vcomh反压 |
DB,A[] |
3级反向截止电压设置 |
|
| 26. 空操作 |
E3 |
|
上表中，指令名称作了意译处理，并对指令功能作了简单的描述。具体用法、参数含义可查阅数据手册。
2. 初始设置及基本操作类指令
上表中，基础类指令及时序设置类作用及原理多在前文中述及。第2条“全显开关”可用以测试全屏像素。第22条打开SSD1306的内置升压泵后，可将5V电压升到7.5V供OLED显示屏使用。第23－25条跟屏的生产批次有关，出厂后厂商会提供建议参数。
3. 地址设置类指令
要在屏上显示字符，首先要指定位置，这个位置就是“地址指针”，分成行指针和列指针。列指针可以128列中随意选定，但行指针不能指定0－63的任意一行，只能按“页”指定。地址模式是指连续写入数据的方式，分为“页、水平、垂直”3种不同的地址模式。
“页地址模式”可以本页内连续写入字节，需发送的指令顺序为：确定模式、确定页指针、确定列起始地址指针（依次为上表第12、15、10、11行指令），然后就逐个字节连续写入。“页地址模式”下既可以写整行，也可以在该页的任意一列起写1到多个字符，是最灵活的写入方式。
图13、页地址模式的指针移动示意图
“水平地址模式”与“垂直地址模式”，可以在整个屏中划出一块行列区域，然后连续写入数据。指定该区域需要4个指针：页起始、页结束、列起始、列结束，分别通过第14、13条指令来实现。指定后整块区域可连续写入，水平模式是“写完一页再写下一页”，垂直模式则是“写完一列再写下一列”，但不管是水平还是垂直模式，还是按页的结构来组织字节的。
图14、水平地址模式的指针移动示意图
图15、垂直地址模式的指针移动示意图
4. 硬件配置类指令
这类指令的功能表述最不清楚，实际上跟滚动操作一样，都是对灵活显示的支持。
1) 第18条：行扫描多路系数
这个指令让驱动电路只扫描一部分行，系数Ｎ可以设置为15－63，对应可扫描16－64行。下图分别是扫描16行、32行、49行的效果。扫描行越少，帧频就越高，亮度也就高。
2) 第16条：显示起始行、第20条：行扫偏移
这两条指令的显示效果类似，只是驱动内部实现不同。行扫描偏移是通过重构COM电极输出来实现，而起始行设置是RAM读取地址的偏移来实现。
3) 第17条：段重映像，第19条：行扫方向
4) 第21条：行扫配置
本条指令最复杂，参数A[5:4]包括2个开关，A[4]为是否奇偶配置COM，A[5]为是否左右交换配置COM。这个需要结合图10来理解，SSD1306的64个COM电极，并非按0－63的自然顺序连接到显示屏，而是分为左右两组，左边一组为奇数电极，右边为偶数电极。所谓左右，是指这个逻辑图而言，这些COM极反映到屏上就是行，左右也就变成上下了。
当A[4]=0时按顺序配置COM极，显示数据发送到奇数行显示，结果造成“隔行显示”效果，如下图1，2行汉字就可满屏。继续读取数据，就发送到偶数行上屏，奇偶显示重叠就无法看清，如图2。当A[4]=1时按替换方式配置COM电极，数据一奇一偶交替上屏，显示正常。
A[5]是COM左右交换配置开关。当A[5]=0为禁止COM左右交换，相当于正常显示。A[5]=1为允许COM左右交换，结果得到下图3的显示效果，这个图让人费解。看数据手册还以为2组COM可以整体交换，这样显示效果就是上2行汉字与下2行汉字整体交换位置，但事实上是相邻奇偶行交换，即1234……交换为2143……，暂未发现这种交换的实用价值。
行扫配置可以和行扫方向配合使用，这样就有8种组合，手册上有一堆示意图，让人头晕目眩。
5. 滚动类指令
所谓滚动，就是“循环移动”，包括水平方向滚动和水平垂直同时滚动，但没有单独的垂直滚动。滚动时可以向左也可以向右。滚动时可以单行内容滚动，也可以指定部分区域的内容滚动。从指令中“关闭滚动要恢复原数据需要重写”来看，滚动实现的内部操作可能是直接修改DDRAM相关单元的数据。
图片中的字体在滚动时出现重影，并非OLED显示迟滞，而是拍摄设备的曝光时间不够所致。另外，发送行扫描相关指令后，显示效果直接发生变化，但发送列重映像指令，显示并不变化，需要重写数据。
本文主要介绍了OLED屏的显示及驱动原理，在理解原理的基础上，就可以比较充分地理解驱动相关指令。汉字库原理、应用及相关例程待后续介绍。
