SSD1306 OLED驱动芯片 详细介绍（一）

SSD1306是一款OLED驱动芯片，拥有最大128*64像素支持，广泛应用在小尺寸OLED显示屏的驱动中。

简介

  SSD1306是一款带控制器的用于OLED点阵图形显示系统的单片CMOS OLED/PLED驱动器。它由128个SEG（列输出）和64个COM（行输出）组成。该芯片专为共阴极OLED面板设计。
  SSD1306内置对比度控制器、显示RAM（GDDRAM）和振荡器，以此减少了外部元件的数量和功耗。该芯片有256级亮度控制。数据或命令由通用微控制器通过硬件选择的6800/8000系通用并行接口、I2C接口或串行外围接口发送。该芯片适用于许多小型便携式应用，如手机副显示屏、MP3播放器和计算器等。

 器件特性

• 分辨率：128 x 64 点阵
• 电源：对于集成逻辑电路，VDD=1.65V3.3V；对于面板驱动，VCC=7V至15V
• 点阵驱动：OLED驱动输出电压，最大15V；SEG最大源电流：100uA；COM最大汇电流：15mA；256阶对比度亮度电流控制
• 内置128 x 64位SRAM显示缓冲区
• 引脚可选择的MCU接口：8位6800/8080串并接口、 3/4线串行外围接口、I2C接口
• 水平和垂直方向的屏幕保持连续滚动功能
• RAM写同步信号
• 可编程帧速率和复用率
• 行重映射和列重映射
• 片内内置振荡器
• COG和COF的芯片封装
• 工作温度范围广：-40°C至85°C

SSD1306结构介绍

 内部结构图

 引脚分配图

 引脚说明

其他引脚：

• I_REF：段输出电流参考脚，VSS间应连接一个电阻，以将I_REF电流保持在12.5uA
• CL：外部时钟输入引脚。用外部时钟时，此引脚输入外部时钟信号。用内部时钟时应连接到V_SS
• CLS：内部时钟启用引脚。拉高时内部时钟启用，拉低时内部时钟禁用，
• FR：用于输出RAM写同步信号，不使用应当NC pin处理
• TR0~TR6：测试保留引脚，当做NC pin处理
• NC：空引脚，不要短接

电源引脚：

• V_DD：芯片逻辑器件供电引脚
• V_CC：显示面板驱动电源引脚
• V_SS：接地引脚
• V_LSS：模拟接地引脚，在外部连接到V_SS
• V_COMH：用于COM的高电平电压输出的引脚，与V_SS之间应该连接一个电容

驱动器输出引脚：

• SEG0~SEG127：列输出脚，OLED关闭时，处于VSS状态
• COM0~COM63：行输出脚，OLED关闭时，处于高阻抗状态

MCU接口引脚：

• B[2:0]：MCU总线接口选择脚。通过配置B0~B2来选择不同的MCU总线接口。
• D[7:0]：连接到MCU的8位双向数据总线，不同MCU总线接口有不同用法
• D/C#：数据/命令控制脚，不同MCU总线接口有不同用法
• R/W#(WR#)：与6800/8080通用并行总线接口相关，使用串行接口时作拉高处理
• E (RD#)：与6800/8080通用并行总线接口相关，使用串行接口时作拉高处理
• RES#：复位信号引脚，低电平有效。
• CS#：芯片片选引脚，低电平有效

上电复位

  当RES#输入低电平时，芯片开始如下的初始化进程：

1. 关闭显示（AEH）
2. 进入128x64 显示模式
3. 恢复到默认的SEG和COM映射关系（A0H，D3H-00H）
4. 清除串行接口中移位寄存器内的数据
5. GDDRAM显示开始行设为0（40H）
6. 列地址计数器重置为0
7. 恢复到默认的COM扫描方向（C0H）
8. 对比度寄存器初始化为7FH（81H-7FH）
9. 正常显示模式（A4H）

MCU总线接口

 MCU总线接口配置

  SSD1306驱动器集成了 6800/8080 系列通用并行接口，串行接口：SPI 接口以及 IIC 接口。通过SSD1306的 BS[2:0]引脚 来选择使用的接口类型，如下图（1为拉高，0为拉低）：

  MCU不同总线接口的引脚配置如下图所示：

 MCU总线接口类型

（6800/8080系列通用并行接口不多介绍）

4线SPI

引脚配置：

  4线SPI接口包括：串行时钟（SCLK）、串行数据（SDIN）、数据/命令控制（D/C#）、片选（CS#）。在4线SPI模式下，D0用作SCLK，D1用作SDIN。对于未使用的数据管脚，D2应保持打开状态。从D3到D7，E和R/W#(WR#)的引脚连接到外部地（拉低）。

写入时序：

  在SCLK每个上升沿，SDIN上的数据按 D7，D6，…，D0 的顺序（高位在前）移位到一个8位移位寄存器中。每八个时钟对D/C#进行一次采样，移位寄存器中的8位数据根据D/C#的采样结果决定写入到图形显示数据RAM（GDDRAM）或命令寄存器。
  4线SPI的写时序如下所示：

3线SPI

引脚配置：

  3线SPI接口包括：串行时钟（SCLK）、串行数据（SDIN）和片选（CS#）。在3线SPI模式下，D0用作SCLK，D1用作SDIN。对于未使用的数据管脚，D2应保持打开状态。从D3到D7，R/W#（WR#），E，D/C# 的引脚连接到外部地（拉低）。

写入时序：

  该操作类似于4线串行接口，但不使用D/C#引脚。
  一共9位数据按 高位在前 的顺序，每9个时钟后全部移位到移位寄存器中：D/C#位（数据首位），D7到D0位。D/C# 位将确定移位寄存器中的8位（D7~D0）数据字节写入GDDRAM（D/C#=1）或命令寄存器（D/C#=0）。串行模式下，只允许写操作。

IIC

基础配置：

  IIC总线包含从机地址位 SA0，数据信号线 SDA（SDA_OUT/D₂输出和SDA_IN/D1输入）和时钟信号线 SCL组成。SDA和SCL线都必须接上拉电阻，RES#用来初始化芯片。
  IIC设备在数据传输之前都必须识别从机地址。SSD1306的从机地址有 0111100b 和 0111101b 两种，通过将SA0(D/C#)脚上拉到高电平可以设置从机地址第七位为 1，将SA0(D/C#)脚下拉到低电平可以设置从机地址第七位为 0。通过SA0(D/C#)脚的上拉和下拉来设置从机地址，从而令总线上可以存在最多2个SSD1306驱动器。

  SDA_OUT/D₂和SDA_IN/D1连接到一起作为SDA。SDA_IN引脚必须连接到SDA，SDA_OUT引脚可以不连接。当SDA_OUT引脚不连接，应答信号将会被12C总线忽略。

写入时序：

  IIC写入时序如下所示：

1. 主机先发起开始（START）信号，然后发送1byte首字节，包括从机地址(7位)和读写数据位(1位，最低位，0为写模式)，驱动器识别从机地址为本机地址之后，将会发出 应答信号(ACK) 。（首字节组成如下图所示）
2. 主机收到从机（驱动器）的应答信号之后，随后传输1byte控制字节。一个控制字节主要由
   CO 和 D/C# 位后面再加上六个0组成的。（控制字节组成如下图所示）
   如果Co为0，后面传输的信息就只包含数据字节。
   D/C# 位决定了下个数据字节是作为命令还是数据。D/C# 为0时，下一个数据被视为命令；DC# 为1时，下一个数据被视为显示数据，存储到GDDRAM中。
3. 收到控制字节ACK信号之后，传输要写入的数据字节。
4. 传输完毕之后主机发出结束（STOP）信号

读写控制

  SSD1306通过 D/C# 和 R/W# 两位来确定：读/写数据，写命令和读状态四种通信行为。具体如下图，不再赘述：

GDDRAM内部结构

  显示RAM：GDDRAM（Graphic Display Data RAM ）内部结构如下所示：
  GDDRAM是位映射静态RAM，大小为 128x64 位。GDDRAM分为8页（PAGE0~PAGE7），每页内 1个SEG对应1Byte数据，一页由 128 Byte 组成。一帧显示数据为 1024 Byte（1KB）。

  1个数据字节写入GDDRAM时，当前列（SEG）同一页（PAGE）的所有行（COM）图像数据都被填充（即由列地址指针指向的整列（8位）被填充）。数据位D0写入顶行，数据位D7写入底行。（由上到下，由低到高）

三种GDDRAM寻址模式

 页寻址

  页寻址模式是器件默认选择的GDDRAM寻址模式，通过“20H，02H”命令可以设置寻址模式为页寻址。
  页寻址模式下，寻址只在一页（PAGEn）内进行，地址指针不会跳到其他页。每次向GDDRAM写入1byte显示数据后，列指针会自动+1。当128列都寻址完之后，列指针会重新指向SEG0而页指针仍然保持不变。通过页寻址模式我们可以方便地对一个小区域内数据进行修改。

 水平寻址

  水平寻址模式可以通过指令“20H,00H”来设置。
  水平寻址模式下，每次向GDDRAM写入1byte数据后，列地址指针自动+1。列指针到达结束列之后会被重置到起始行，而页指针将会+1。页地址指针达到结束页之后，将会自动重置到起始页。水平寻址模式适用于大面积数据写入，例如一帧画面刷新。
  （下图所示起始页为0，结束页为7；起始列为0，结束列为127）

 垂直寻址

  垂直寻址模式可以通过指令“20H,01H”来设置。
  垂直寻址模式下，每次向GDDRAM写入1byte数据之后，页地址指针将会自动+1。页指针到达结束页之后会被重置到0，而列指针将会+1。列地址指针达到结束页之后，将会自动重置到起始列。
  （下图所示起始页为0，结束页为7；起始列为0，结束列为127）

指令详解

 基础指令

自己整理的指令表总括如下：

1.设置对比度 （81H+A[7:0]）
  这是一条双字节指令，由第二条指令指定要设置的对比度级数。
  A[7:0] 从 00H~FFH 分别指定对比度为 1~256 级。SEG（段）输出的电流大小随对比度级数的增加而增加。

2.设置全屏全亮 （A4H / A5H）
  这是一条单字节指令，用于开关屏幕全亮模式。
  A4H 设置显示模式为正常模式，此时屏幕输出GDDRAM中的显示数据。
  A5H 设置显示模式为全亮模式，此时屏幕无视GDDRAM中的数据，并点亮全屏。
  通过A5H设置全屏点亮之后可以通过A4H来回复正常显示。

3.设置正常/反转显示 （A6H / A7H）
  这是一条单字节指令，用于设置屏幕显示
  A6H 设置显示模式为 1亮0灭，而 A7H 设置显示模式为 0亮1灭

4.开关显示屏 （AEH / AFH）
  这是一条单字节指令。
  AEH 开启屏幕，而 AFH 关闭屏幕。
  屏幕关闭时，所有SEG和COM的输出被分别置为Vss和高阻态。

 地址指令

自己整理的指令表总括如下：

1.设置GDDRAM寻址模式 （20H+A[1:0]）
  这是一条双字节指令，由 A[1:0] 指定要设置的地址模式。
  A[1:0]=00b时为水平地址模式；A[1:0]=01b时为垂直地址模式；A[1:0]=10b时为页地址模式；A[1:0]=11b时为无效指令；
  由于第二条指令前6位值无规定，所以直接用0替代，得到：00H-水平；01H-垂直；02H页

2.设置起始/终止列地址 （21H+A[6:0]+B[6:0]）
  这是一条三字节指令，由A[6:0]指定起始列地址，B[6:0]指定终止列地址。
  同样，由于前1位值无规定，所以：A[6:0] 和 B[6:0] 从 00H~7FH 的取值指定起始/终止列地址为 0~127。
  这条指仅在水平/垂直模式下有效，用来设置水平/垂直模式的初始列和结束列

3.设置起始/终止页地址 （22H+A[2:0]+B[2:0]）
  这是一条三字节指令，由A[2:0]指定起始也地址，B[2:0]指定终止页地址。
  由于前5位值无规定，所以：A[2:0]和B[2:0]从 00H~07H 的取值指定起始/终止页地址为 0~7。
  这条指仅在水平/垂直模式下有效，用来设置水平/垂直模式的初始页和结束页

4.设置起始列地址低位 （00H~0FH）
  这是一条单字节指令。
  高4位恒定为0H，低4位为要设置的起始列地址的低4位。这条指令仅用于页寻址模式。

5.设置起始列地址高位 （00H~0FH）
  这是一条单字节指令
  高4位恒定为1H，低4位为要设置的起始列地址的高4位。这条指令仅用于页寻址模式。

6.设置页地址 （B0H~B7H）
  这是一条单字节指令
  高4位恒定为BH，第5位规定为0，低3位用于设置页地址，从 B0H~B7H 分别设置起始页为 0~7。这条指令仅用于页寻址模式。

 硬件指令

自己整理的指令表总括如下：

1.设置GDDRAM起始行 （40H~7FH）
  这是一条单字节指令。
  高2位规定为01b，由低6位的取值来决定起始行。整体指令从 40H~7FH 分别设置起始行为 0~63。

2.设置SEG映射关系 （A0H / A1H）
  这是一条单字节指令。
  A0H 设置GDDRAM的COL0映射到驱动器输出SEG0。
  A1H 设置COL127映射到SEG0

3.设置COM扫描方向 （C0H / C8H）
  这是一条单字节指令。
  C0H 设置 从COM0扫描到COM[N-1]，N为复用率
  C1H 设置 从COM[N-1]扫描到COM0

4.设置复用率 （A8H+A[5:0]）
  这是一条双字节指令，由A[5:0]指定要设置的复用率
  复用率（MUX ratio）即选通的COM行数，不能低于16，通过A[5:0]来指定。
  A[5:0] 高两位无规定视为0，所以第二条指令从 0FH~3FH 的取值设置复用率为 1~64（即A[5:0]+1）。A[5:0]从0到14的取值都是无效的。

5.设置垂直显示偏移 （D3H+A[5:0]）
  这是一条双字节指令，由A[5:0]指定偏移量。
  垂直显示偏移即整个屏幕向上移动的行数，最顶部的行会移到最底行。
  A[5:0] 高两位无规定视为0，所以第二条指令从0FH~3FH的取值设置垂直偏移为 0~63

6.设置COM硬件配置 （DAH+A[5:4]）
  这是一条双字节指令，由A[5:4]进行设置。
  A[5] 位设置COM左右反置，A[4] 用来设置序列/备选引脚配置，其他位有规定，规定如下所示。

  SSD1306的COMn引脚一共有左边 COM32~COM63 和右边 COM0~COM31 共64个（金手指面朝上方）。通过设置A[5]可以让左右COM引脚的输出互换。A[5]=0时禁止左右反置，A[5]=1时启用左右反置。
  COM引脚的排列有序列和奇偶间隔（备选）两种，通过A[4]进行设置。A[4]=0时使用序列COM引脚配置，A[5]=1时使用奇偶间隔（备选）COM引脚配置。

 时序和指令

自己整理的指令表总括如下：

1.设置显示时钟分频数和f_osc （D5H+A[7:0]）
2.设置预充电周期 （D9H+A[7:0]）
3.设置V_COMH输出的高电平 （DBH+A[6:4]）
4.空操作 （E3H）
  

 滚动指令

自己整理的指令表总括如下：

  指令表如图，关于滚动指令会单独开篇讲，期待我的后续文章。

自己写的驱动程序（C51）

/**********************************************************************************
 * 程序名:    SSD1306驱动程序	
 * 作者:      DaveoCKII			
 * 日期:      2020.3.12			
 * 版本:      STC12C5A60S2 		
 **********************************************************************************/

#ifndef _SSD1306_H_
#define _SSD1306_H_

#include <STC12C5A60S3.H>
//------------------------------------定义列表------------------------------------//
sbit SCL = P3^4;	// 时钟线
sbit SDA = P3^3;	// 数据线
//------------------------------------函数列表------------------------------------//
void OLED_Init(void);						// OLED 初始化
void OLED_Clear(void);						// OLED 清屏
void OLED_WriteCmd(unsigned char cmd);		// OLED 单次写命令
void OLED_WriteDat(unsigned char dat);		// OLED 单次写数据
void OLED_WriteC(unsigned char cmd);		// OLED 连续写命令	在结尾要加上IIC_STOP();
void OLED_WriteD(unsigned char dat);		// OLED 连续写数据	在结尾要加上IIC_STOP();
void OLED_Frame(unsigned char P[8][128]);	// OLED 一帧图像写入
//------------------------------------内部函数------------------------------------//
static void IIC_START(void);				// IIC_开始信号	(重开始信号用此替代)
static void IIC_STOP(void); 				// IIC_结束信号
static unsigned char IIC_WaitACK(void);		// IIC_等待应答		返回值: 0:NACK 1:ACK 
static void IIC_Write(unsigned char dat);	// IIC_写数据函数	参数:要写入的数据
static unsigned char IIC_Read(void);		// IIC_读数据函数	返回值:读到的数据
static void delay1us(void);					// 延时1us    
//------------------------------------函数内容------------------------------------//

void OLED_WriteD(unsigned char dat)
{
	IIC_START();		// 通信开始
	IIC_Write(0X78);	// 写从机地址'0111 100' 读写符号'0'
	IIC_WaitACK();
	IIC_Write(0X40);	// 写命令 Co='0' C/D='100 0000'
	IIC_WaitACK();
	IIC_Write(dat);		// 写入数据
	IIC_WaitACK();
}

void OLED_WriteC(unsigned char cmd)
{
	IIC_START();		// 通信开始
	IIC_Write(0X78);	// 写从机地址'0111 100' 读写符号'0'
	IIC_WaitACK();
	IIC_Write(0X00);	// 写命令 Co='0' C/D='000 0000'
	IIC_WaitACK();
	IIC_Write(cmd);		// 写入命令
	IIC_WaitACK();
}

void OLED_WriteDat(unsigned char dat)
{
	OLED_WriteD(dat);
	IIC_STOP();			// 通信结束
}

void OLED_WriteCmd(unsigned char cmd)
{
	OLED_WriteC(cmd);
	IIC_STOP();			// 通信结束
}

void OLED_Init(void)
{	
	OLED_WriteC(0XAE);		// 关OLED显示
	// 基础设置
	OLED_WriteC(0XA4);		// 输出GDDRAM内容	
	OLED_WriteC(0XA6);		// 正常显示(1亮0灭)	
	OLED_WriteC(0X81);		// 设置对比度		
	OLED_WriteC(0X7F);		// 第127级对比度	
	// COM和SEG输出设置
	OLED_WriteC(0XD3);		// 设置垂直显示偏移(向上)
	OLED_WriteC(0X00);		// 偏移0行					
	OLED_WriteC(0X40);		// 设置GDDRAM起始行 0		
	OLED_WriteC(0XA8);		// 设置MUX数 (显示行数)		
	OLED_WriteC(0X3F);		//  MUX=63	 (显示63行)			
	OLED_WriteC(0XA1);		// 左右反置关(段重映射)		
	OLED_WriteC(0XC8);		// 上下反置关(行重映射)		
	OLED_WriteC(0XDA);		// 设置COM引脚配置		
	OLED_WriteC(0X02);		// 序列COM配置,禁用左右反置
	// 时钟设置
	OLED_WriteC(0XD5);		// 设置DCLK分频和OSC频率
	OLED_WriteC(0X80);		// 无分频,第8级OSC频率	
	// 开OLED
	OLED_WriteC(0X8D);		// 启用电荷泵
	OLED_WriteC(0X14);		// 启用电荷泵
	OLED_WriteC(0XAF);		// 开OLED显示
	
	IIC_STOP();
}

void OLED_Clear(void)
{
	unsigned char i,j;
	
	OLED_WriteC(0X00);		// 水平寻址模式 
	OLED_WriteC(0X21);		// 设置列起始和结束地址
	OLED_WriteC(0X00);		// 列起始地址 0
	OLED_WriteC(0X7F);		// 列终止地址 127
	OLED_WriteC(0X22);		// 设置页起始和结束地址
	OLED_WriteC(0X00);		// 页起始地址 0
	OLED_WriteC(0X07);		// 页终止地址 7
	
	for(i=0; i<8; i++)		// 写入一帧'0'
		for(j=0; j<128; j++)
			OLED_WriteD(0X00);
	
	IIC_STOP();
}

void OLED_Frame(unsigned char P[8][128])
{
	unsigned char i,j;
	
	OLED_WriteC(0X20);	// 设置GDDRAM模式
	OLED_WriteC(0X00);	// 水平寻址模式 
	OLED_WriteC(0X21);	// 设置列起始和结束地址
	OLED_WriteC(0X00);	// 列起始地址 0
	OLED_WriteC(0X7F);	// 列终止地址 127
	OLED_WriteC(0X22);	// 设置页起始和结束地址
	OLED_WriteC(0X00);	// 页起始地址 0
	OLED_WriteC(0X07);	// 页终止地址 7
	
	for(i=0; i<8; i++)		// 写入一帧数据
		for(j=0; j<128; j++)
			OLED_WriteDat(P[i][j]);
	
	IIC_STOP();
}

//----------------------------------内部函数内容-----------------------------------//

static void IIC_START(void)
{
	SCL = 0;		// SCL拉低 防止可能出现的各种误动作
	delay1us();
	SDA = 1;		// SDA拉高 
	SCL = 1;		// SCL拉高 准备发出起始信号
	delay1us();		
	SDA = 0;		// SDA拉低 发出起始信号
	SCL = 0;		// SCL拉低 开始传输
}

static void IIC_STOP(void)
{
	SCL = 0;		// SCL拉低 防止可能出现的各种误动作
	SDA = 0;		// SDA拉低
	SCL = 1;		// SCL拉高 准备发出结束信号
	delay1us();		
	SDA = 1;		// SDA拉高 发出结束信号
}

static unsigned char IIC_WaitACK(void)
{
	bit s;
	SCL = 0;		// 拉低SCL
	delay1us();
	SDA = 1;		// 拉高SDA 主机释放总线
	delay1us();
	SCL = 1;		// 拉高SCL 
	delay1us();		
	s = SDA;		// 采集SDA信号线状态
	delay1us();		
	SCL = 0;		// 拉低SCL 结束询问ACK
	if(s)
		return 0;	// 无应答(ACK)
	else
		return 1;	// 有应答(ACK)	
}

static void IIC_Write(unsigned char dat)
{
	unsigned char i;
	for(i=0; i<8; i++) 
	{
		SCL = 0; 			// 拉低SCL 准备写数据
		SDA = dat & 0X80;	// 写数据
		dat <<= 1;			// 数据格式:高位在前
		SCL = 1;			// 拉高SCL 发送数据
		delay1us();
		SCL = 0;			// 拉低SCL 结束发送
	}
}

static void delay1us(void)
{	

}

//---------------------------------------------------------------------------------//
//------------------------------------定义结束--------------------------------------//
//---------------------------------------------------------------------------------//

#endif

DaveoCKII 2020.3.23