嵌入式基础--第七周作业--OLED显示

一.I2C协议的基本原理和时序协议
一、I2C 协议的基本原理
I2C协议的核心设计思想是用最少的连线实现多个器件之间的通信。它只需要两根线：

1. SDA：串行数据线，用于传输数据。

2. SCL：串行时钟线，用于同步时钟。

3. 核心特性
   半双工通信：数据可以在SDA线上双向流动，但同一时刻只能有一个方向。
   同步通信：所有通信都由主设备产生的SCL时钟信号同步。
   多主从结构：总线上可以连接多个主设备和多个从设备。
   地址寻址：每个从设备都有一个唯一的7位或10位地址，主设备通过地址来选择与哪个从设备通信。
   低速通信：标准模式速度为100kbps，快速模式为400kbps，高速模式可达3.4Mbps。
   线与逻辑：SDA和SCL线都是开源输出 或集电极开路结构。这意味着设备只能将总线拉低（输出0），而不能主动拉高（输出1）。总线通过上拉电阻被拉到高电平。这种设计实现了“线与”功能，避免了多个设备同时输出时的总线冲突。

4. 总线上的角色

主设备：负责发起和终止一次传输，产生时钟信号SCL。
从设备：响应主设备的寻址，接收或发送数据。

二、I2C 时序协议详解

一次完整的I2C通信由起始条件、数据传输和停止条件组成。数据传输的基本单位是字节（8位），每个字节传输后都跟随一个应答位。

1. 起始条件

当SCL线为高电平时，SDA线发生一个从高到低的跳变。
这个独特的边沿信号告诉总线上所有设备：一次传输开始了。

2. 停止条件

当SCL线为高电平时，SDA线发生一个从低到高的跳变。
这个信号表示本次传输结束，总线将被释放。

3. 数据传输与应答

数据传输以字节（8位） 为单位，从最高有效位 开始依次发送。每个字节后必须紧跟一个应答位。

数据有效性：在SCL为高电平期间，SDA线上的数据必须保持稳定。只有在SCL为低电平时，SDA线上的数据才允许变化。
应答：每传输完一个字节（8位数据），发送方（无论是主设备还是从设备）会释放SDA线。接收方需要在第9个时钟脉冲期间将SDA线拉低，表示已成功接收到数据。
非应答：如果接收方在第9个时钟脉冲期间没有将SDA线拉低（即SDA线因上拉电阻保持高电平），则表示非应答。这通常意味着：
接收方未准备好或无法接收。
主设备读取数据时，用它来告诉从设备“不要再发送数据了”。

三、完整的数据传输帧格式
一次完整的I2C通信包含以下几个部分：

1. 主设备写数据到从设备

2. 起始条件

3. 从设备地址（7位） + 写标志位（0）

4. 从设备应答

5. 数据字节（8位）

6. 从设备应答
   （可重复多个数据字节）

7. 停止条件

8. 主设备从从设备读取数据

9. 起始条件

10. 从设备地址（7位） + 读标志位（1）

11. 从设备应答

12. 从设备发送数据字节（8位）

13. 主设备应答 （如果希望继续读）或 主设备非应答 （如果这是最后一个字节）
    （可重复多个数据字节，最后一个字节主设备发NACK）

14. 停止条件

15. 复合格式（在一次传输中改变方向）
    这种方式非常常见，例如先告诉从设备要读取哪个寄存器地址，然后再读取数据。

16. 起始条件

17. 从设备地址 + 写（0）

18. ACK

19. 寄存器地址（数据字节）

20. ACK

21. 重复起始条件 （注意，这里不是停止条件！）

22. 从设备地址 + 读（1）

23. ACK

24. 从设备发送数据字节

25. 主设备NACK （假设只读一个字节）

26. 停止条件（P）
    重复起始条件（Repeated Start） 的波形与起始条件完全相同。它可以在不释放总线（不发送停止条件）的情况下开始一次新的通信，保证了操作的原子性。

二.0.96寸OLED屏的工作原理和汉字点阵的显示原理
一、 硬件结构和工作原理

1. 像素结构

单个OLED像素：
┌─────────────────┐
│ 阴极(透明电极) │ ← 电子注入
│ 有机发光层 │ ← 电子空穴复合发光
│ 阳极 │ ← 空穴注入
└─────────────────┘

2. 矩阵驱动原理

OLED屏采用被动矩阵（PMOLED） 驱动：

行扫描：逐行选通
列数据：同时提供该行所有列的数据
快速刷新：通过人眼视觉暂留效应形成完整图像

3. SSD1306驱动芯片功能

显示数据RAM（GDDRAM）：128×64位，直接映射到屏幕像素
命令解析器：接收并执行配置命令
时序控制：产生行、列扫描时序
DC/DC转换：产生OLED所需的高电压

4. 通信接口

I2C接口接线（以Arduino为例）：

Arduino OLED
GND --- GND
3.3V --- VCC
A4 --- SDA
A5 --- SCL

二、汉字点阵显示原理

1. 点阵显示基本概念

汉字在数码显示设备中都是以点阵形式存储和显示的。

2. 汉字编码体系

2.1 字符编码

ASCII码：英文字符，1字节表示
GB2312：简体中文，2字节表示
Unicode：全球统一字符集

2.2 GB2312编码结构

第一个字节：0xA1-0xFE（区码）
第二个字节：0xA1-0xFE（位码）
区码 = 第一个字节 - 0xA0
位码 = 第二个字节 - 0xA0

3. 汉字点阵数据存储

3.1 常见点阵规格

16×16点阵：适合小字号显示，32字节/汉字
24×24点阵：中等字号，72字节/汉字
32×32点阵：大字号，128字节/汉字

3.2 16×16点阵数据结构（最常用）

每个16×16点阵汉字需要32字节存储：

前16字节：显示上半部分（0-7行）
后16字节：显示下半部分（8-15行）

字节内位顺序：通常高位在上，低位在下

字节数据：0x08 (二进制 00001000)
像素映射：□ □ □ ■ □ □ □ □ (0=灭，1=亮)
7 6 5 4 3 2 1 0 (位序号)

4. 字库寻址计算

4.1 区位码计算

// 假设汉字"中"的GB2312编码为：0xD6, 0xD0
unsigned char code_h = 0xD6; // 高字节
unsigned char code_l = 0xD0; // 低字节

// 计算区位码
unsigned char qu_ma = code_h - 0xA0; // 区码 = 54
unsigned char wei_ma = code_l - 0xA0; // 位码 = 48

4.2 点阵数据偏移量计算

// 16×16点阵，每个汉字32字节
unsigned long offset = ((qu_ma - 1) * 94 + (wei_ma - 1)) * 32;

5. OLED显示汉字的具体实现

5.1 显示内存映射

SSD1306的GDDRAM结构：

8页（Page）：每页8行，共64行
128列：每列对应1个像素宽度
字节组织：每列的1个字节代表垂直的8个像素

Page0: 第0-7行
Page1: 第8-15行
Page2: 第16-23行
...
Page7: 第56-63行

5.2 16×16汉字显示过程

显示位置计算：
// 在(x,y)位置显示16×16汉字
page = y / 8; // 计算页地址
page_offset = y % 8; // 计算页内偏移

数据写入流程：

1. 设置起始地址：指定显示起始页和列

2. 写入上半部分：前16字节数据

3. 切换到下一页：设置下一页地址

4. 写入下半部分：后16字节数据

5. 实际开发中的字库处理

6.1 字库存储方式

外部Flash：存储完整字库
内部Flash：存储常用汉字
SD卡：动态加载字库
在线字库：通过网络获取

6.2 常用取模方式

逐列式：按列顺序取模（最常用）
逐行式：按行顺序取模
逆向取模：字节内位顺序反转

6.3 取模软件设置示例

点阵格式：阴码（1亮0灭）
取模方式：逐列式
取模走向：逆向（低位在前）
输出格式：C51格式

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