微顯示器[1]是一種特殊形態的顯示器，它自身物理尺寸很小，但卻可以通過光學系統產生大屏幕顯示效果，主要應用于投影機和近眼顯示系統。近年來，隨著有機發光技術的興起，基于OLED（有機發光二極管）的微顯示器也開始逐漸發展。OLED微顯示器具有主動發光、固態顯示、超輕超薄、色彩豐富、驅動電壓低、響應速度快、溫度適應范圍廣、功耗低等優點。目前，大多OLED微顯示器都采用IIC接口[2]，通過IIC接口控制OLED微顯示器內部寄存器，從而實現對顯示模式、顯示方向、顯示位置、亮度、對比度、色度、伽瑪矯正等控制功能。

    IIC是Philips公司開發的一種用于芯片間通信的串行傳輸總線,它由串行時鐘線SCL和串行數據線SDA完成全雙工數據傳送。IIC最主要的優點是其具備簡單性和有效性。其次，由于接口直接在組件上，IIC占用的空間非常小，同時其連線也少。
    本文通過利用Verilog語言，采用模塊化設計思想[3]，設計了基于FPGA的OLED微顯示器的IIC接口的IIC控制模塊，該控制模塊包括寫數據存儲模塊、讀數據存儲模塊、數據讀寫模塊，從而準確而有效地完成對OLED微顯示內部寄存器的讀寫操作。
1 IIC接口的控制方案
1.1 OLED微顯示器
    本設計采用的OLED微顯示器是由云南北方奧雷德光電科技股份有限公司生產的SVGA050SC低功耗主動式OLED微顯示器，內部共有256個寄存器，通過IIC接口，可對其進行讀寫操作，從而可實現對OLED微顯示器顯示模式、顯示方向、顯示位置、亮度、對比度、色度、伽瑪矯正等的控制和調整。主要寄存器如表1所示。

1.2 OLED微顯示器IIC接口的基本原理
    IIC能以雙向數據線（SDA）和時鐘線（SCL）實現完善的全雙工同步數據傳送[4]。工作時，SDA和SCL必須通過外部控制器經電阻上拉至1.8 V/3.3 V電源。OLED顯示器只能作為從機使用，所有讀/寫操作必須由主機來實現。
1.3 控制方案概述
    通過對OLED微顯示器及IIC接口的分析，基于FPGA設計了OLED微顯示器IIC接口的IIC控制模塊，如圖1所示。該控制模塊包括寫數據存儲模塊、讀數據存儲模塊和數據讀寫模塊。寫數據存儲模塊用于存儲從機地址、寄存器地址以及寄存器寫入數據，讀數據存儲模塊用于存儲從機地址、寄存器地址以及寄存器讀入數據，數據讀寫模塊用于讀寫相應的數據。

    FPGA采用Altera公司Cyclone II系列中的 EP2C8-Q208C8。EP2C8Q208C8擁有8 256個邏輯單元、1.1 Mbit內部RAM、150個18×18乘法器、4個PLL環和85個I/O接口，最高數據率可以達到260 Mb/s，完全滿足本系統要求的60 MHz系統時鐘需求。與其他FPGA產品不同，Cyclone II FPGA性能提高了60%，同時功耗降為原來的一半，非常經濟實用[5]。
2 IIC控制模塊設計
2.1 寫數據存儲模塊
    寫數據存儲模塊由reg型數據存儲8 bit數據，包括從機地址加寫標志位，由memory型數據構成寄存器存儲器和寫入數據存儲器，每一個存儲單元大小為8 bit，用于存儲寄存器地址和寄存器寫入數據，存儲單元的數量可以根據需要自行定義。
    自定義的存儲單元的數量決定了寄存器存儲器和寫入數據存儲器的大小。寫數據存儲模塊內部有一個與數據讀寫模塊通信的計數變量，通過改變計數變量，可將寄存器存儲器中新的地址和寫入數據存儲器中新的數據傳輸給讀寫數據模塊。圖2為寫數據存儲模塊。

2.2 讀數據存儲模塊
    讀數據存儲模塊由reg型數據存儲8 bit數據，包括從機地址加讀標志位，由memory型數據構成寄存器存儲器和讀入數據存儲器，每一個存儲單元大小為8 bit，用于存儲寄存器地址和寄存器讀入數據，存儲單元的數量可以根據需要自行定義。
    自定義的存儲單元的數量決定了寄存器存儲器和讀入數據存儲器的大小。讀數據存儲模塊內部有一個與數據讀寫模塊通信的計數變量，通過改變計數變量，可將寄存器存儲器中新的地址傳輸給讀寫數據模塊，并將從讀寫數據模塊傳回的寄存器數據存儲到讀數據存儲器中。圖3為讀數據存儲模塊。

    本設計采用的時鐘源頻率為40 MHz，由于SCL的頻率要求在100 kHz～1 MHz范圍內，本設計將時鐘源進行100分頻，因此SCL的頻率設定為400 kHz?？紤]到IIC起始、讀寫以及停止的時序要求，將SCL的時鐘周期平均分為上升沿、高電平、下降沿和低電平4個狀態。在上升沿狀態或下降沿狀態時，設定SCL=1或SCL=0，而在高電平狀態或低電平狀態時，SDA才允許進行數據變化，這樣就能保證SDA進行數據變化時SCL已經處于高電平或者低電平狀態，從而能夠避免SDA與SCL同時經歷上升沿或下降沿而帶來的時序功能不確定性的問題。
    為了實現對OLED微顯示器內部寄存器的讀寫操作，本設計采用兩個狀態機：一個寫狀態機，一個讀狀態機。讀/寫狀態機由外部按鍵進行切換。
    寫狀態機由空閑狀態、起始狀態、從機地址傳輸寫狀態、響應1狀態、寄存器地址傳輸狀態、響應2狀態、數據傳輸狀態、響應3狀態、中間停止返回狀態以及最終停止狀態構成。在從機地址傳輸寫狀態、寄存器地址傳輸狀態及數據傳輸狀態中，當SCL處于低電平狀態時，SDA隨著計數器在0~7范圍的逐次增加而改變，直到傳輸完8 bit數據。在響應狀態中，由于SDA的三態設置，此時將SDA置于高阻狀態，從而響應從機的應答。同時，寫狀態機設置有計數變量，計數變量隨著寫狀態機循環次數的增加而增加。狀態之間的切換如圖5所示。在計數變量小于等于設定寫入次數時，數據讀寫模塊向OLED微顯示器的內部寄存器寫入數據。

    讀狀態機由空閑狀態、起始狀態、從機地址傳輸寫狀態、響應1狀態、寄存器地址傳輸狀態、響應2狀態、重新起始狀態、從機地址傳輸讀狀態、響應3狀態、數據傳輸狀態、響應4狀態、中間停止返回狀態以及最終停止狀態構成。其中讀狀態機中從機地址傳輸寫狀態、寄存器地址傳輸狀態、從機地址傳輸讀狀態以及響應狀態與寫狀態機中的相應狀態類似。不同的是，在數據傳輸狀態中，在SCL處于高電平狀態時，通過將SDA置于高阻狀態，把OLED微顯示器寄存器的數據逐位傳輸給8 bit的寄存器，然后傳遞給讀數據存儲模塊。讀狀態機的狀態切換如圖6所示。同樣，在讀狀態機中也設有計數變量，當計數變量小于等于設定讀入次數時，OLED微顯示器寄存器的數據通過讀寫數據模塊傳輸給讀數據存儲模塊。

2.4 IIC控制模塊
    通過對寫數據模塊、讀數據模塊以及數據讀寫模塊的設計，完成了IIC控制模塊的設計。IIC控制模塊的原理圖如圖7所示。

3 IIC控制模塊仿真及測試
    軟件仿真在EDA軟件環境中進行，通過模擬硬件產生測試信號，對編寫的代碼進行測試。通過觀看時序波形或者數據報告文件來判斷綜合后的軟件邏輯是否正確，主要用于在各個分散的模塊之間的波形仿真。在系統的設計過程中，采用Quartus 8.1軟件作為前端的軟件仿真；功能測試中將整個系統組合起來采用軟件仿真并下載到FPGA進行測試；綜合驗證則是通過EDA綜合工具將HDL代碼結合庫文件綜合成門級描述，然后將綜合結果在軟件中做最后的驗證[6]。IIC控制模塊的寫仿真波形如圖8所示。
    通過IIC控制模塊對OLED微顯示寄存器進行讀寫操作，實現了OLED微顯示器內置圖像的顯示。圖9為OLED微顯示內置圖像。

    FPGA EP2C8Q208C8作為核心控制器件，在分析SVGA050SC OLED微顯示器和IIC接口的基礎上，利用Verilog語言，采用模塊化設計思想，設計了基于FPGA的OLED微顯示器的IIC接口的IIC控制模塊。該控制模塊對于OLED微顯示器寄存器的控制提供了較好的解決方案，降低了控制的復雜度，并且系統穩定，執行效率較高。
參考文獻
[1] 應根裕，胡文波，邱勇，等.平板顯示技術[M].北京：人民郵電出版社，2002.
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[3] 呂國亮，趙曙光，趙俊.嵌入式邏輯分析技術及其在FPGA系統開發中的應用[J]．液晶與顯示，2007，22(2)：227-231．
[4] 張家會，熊先越，曹麗珍.基于FPGA的I2C總線設計[J].光通信技術，2011，9(1)：40-41.
[5] 王鳴浩，吳小霞．基于FPGA的通用液晶顯示控制器的設計和實現[J]．液晶與顯示，2012，27(1)：87-92.
[6] 冉峰，何林奇，季淵.無線OLED微顯示器系統的設計與實現[J].液晶與顯示，2012，27(5)：633-637.