oled模块的基本工作原理（驱动原理及应用）

一、 OLED显示屏概念

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。缺点：当前技术所限，无法大尺寸化，价格较高。

OLED分PMOLED、AMOLED两种，PMOLED为无源驱动，AMOLED为有源驱动。

二、模块基本信息

本文使用OLED模组为：单色，IIC接口，0.96寸，4P（4个引脚，分别为：VCC,GND,SDA,SCL）

模块正面及反面

模块尺寸图

三、OLED 模块器件

　　 OLED显示屏：128*64点阵OLED单色屏。

　　 驱动芯片：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。）

四、 模块电路图

电路原理图

五、 显示屏与驱动的电气连接

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。

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。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。

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。（以上摘自百度百科与芯片手册）

六、 技术要点

本模块的驱动芯片SSD1306为例，其技术要点部分罗列如下：

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。

七、点阵屏扫描驱动的基本原理

显示点阵示意图

（可参考《单片机实践课程》中的点阵相关视频或OLED相关视频）

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。

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。（摘自芯片手册和百度百科）

补充：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。

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。

八、 行周期中的段驱动信号分析

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。

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。因而其电路较复杂。

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。

驱动示意图

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。（摘自数据手册）

九、 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。

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. 驱动电路补充

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。

驱动电路功能逻辑示意图

（摘自网络）

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。

十、 SSD1306的指令系统解析

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

（翻译至数据手册，更多见数据手册）

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