数字IC实践项目（9）— Tang Nano 20K: I2C OLED Driver-编程知识

Tang Nano 20K: I2C OLED Driver

写在前面的话
- 硬件模块
- RTL电路和相关资源报告
- SSD1306 OLED 驱动芯片
- SSD1306 I2C协议接口
- OLED 驱动模块RTL
- 综合实现
总结

写在前面的话

之前在逛淘宝的时候偶然发现了Tang Nano 20K，十分感慨国产FPGA替代方案的进步之快；
被Tang Nano 20K小巧精致的外形和丰富的内在资源震惊到了，买来想要体验一下国产FPGA的软件生态。

硬件模块

项目主要设备是高云半导体的Tang Nano 20K开发板和0.96寸四针I2C模块的OLED模块；
OLED模块采用SSD1306驱动芯片；

Tang Nano 20K
在这里插入图片描述
0.96寸 I2C 接口OLED

RTL电路和相关资源报告

采用GOWIN FPGA Designer平台查看RTL电路图；

在这里插入图片描述

采用GOWIN FPGA Designer平台查看资源报告；

SSD1306 OLED 驱动芯片

SSD1306是一个单片CMOS OLED/PLED驱动芯片可以驱动有机/聚合发光二极管点阵图形显示系统。由128 segments和64Commons组成。该芯片专为共阴极OLED面板设计。
SSD1306中嵌入了对比度控制器、显示RAM和晶振，并因此减少了外部器件和功耗。有256级亮度控制。数据/命令的发送有三种接口可选择：6800/8000串口，I2C接口或SPI接口。适用于多数简介的应用，移动电话的屏显，MP3播放器和计算器等。

SSD1306 芯片框图
在这里插入图片描述

SSD1306中内置128 * 64的GDDRAM，是一个为映射静态RAM保存位模式来显示，RAM分为8页，从PAFE0到PAGE7，用于单色128 * 64点阵显示，如下图所示：
GDDRAM：
在这里插入图片描述
当一个数据字节写到GDDRAM中，所有当前列的同一页的行图像数据都会被被填充（比如，被列地址指针指向的整列（8位）都会被填充）。数据位D0写到顶行，而数据位D7写到底行，如下图所示。

SSD1306 I2C协议接口

I2C通讯接口由从机地址为SA0，I2C总线数据信号（SDAout/D2输出和SDAin/D1输入）和I2C总线时钟信号SCL（D0）组成。数据和时钟信号线都必须接上上拉电阻。RES#用来初始化设备。
I2C数据格式：
在这里插入图片描述
a. 从机地址位（SA0）
SSD1306在发送或接受任何信息之前必须识别从机地址。设备将会响应从机地址，后面跟随着从机地址位（SA0位）和读写选择位（R/W#位）。
SA0位为从机地址提供了一个位的拓展。0111100或0111101都可以做为SSD1306的从机地址。D/C#引脚作为SA0用于从机地址选择。R/W#为用来决定I2C总线接口的操作模式。R/W# = 1，读模式。R/W# = 0 写模式
b. I2C总线数据信号SDA
SDA作为主机和从机之间的通讯通道。数据和应答都是通过SDA发送。
c. I2C总线时钟信号SCL
每个数据位的传输任务发生在SCL的单个的时钟周期中。

项目难度：⭐
项目推荐度：⭐⭐
项目推荐天数：1~天

FPGA开发环境：
前仿： Modelsim SE-64 2019.2
综合： Gowin_V1.9.9Beta-4_Education

项目学习目的：
（1）熟练掌握项目中各文件的工程管理；
（2）熟悉 Verilog HDL仿真、FPGA综合工具及流程；
（3）学习OLED 驱动和I2C的基础原理；

OLED 驱动模块RTL

//oled_init  初始化模块
module OLED_Init(input					sys_clk			,input					rst_n			,input					init_req		,			//初始化请求input					write_done		,			//初始化数据完成信号output					init_finish		,			//初始化完成输出output[23:0]			Init_data					//初始化的数据
);//WR CMD ： 0X78+0X00+CMD
//WR Data： 0X78+0X40+Data
localparam			RST_T			=	1'b0;			//低电平复位有效reg[23:0]		Init_data_reg;
reg[23:0]		Init_data_reg1;reg[4:0]		Init_index;reg init_finish_inside;//OLED_WR
reg [10:0]  WR_index    ;   //TX data counter
reg [9:0]   WR_addr     ;   //TX ROM Data addr
wire [7:0]  WR_data     ;   //WR Data//FSM
localparam IDLE =   2'b01   ;
localparam WR   =   2'b10   ;reg [1:0]   CS ;
reg [1:0]   NS ;always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin if(~rst_n) beginCS <= IDLE;end else beginCS <= NS;end
endalways@(*) begin case(CS)IDLE: beginif(Init_index >= 'd26 && write_done == 1'b1) beginNS = WR;end else beginNS = IDLE;end end WR: beginif(rst_n==1'b0) beginNS = IDLE;endelse beginNS = WR;endend default: NS = IDLE;endcase 
end always@(*) begin case(CS)IDLE: init_finish_inside = 1'b0;WR: init_finish_inside = 1'b1;default: NS = IDLE;endcase 
endassign Init_data  = (init_finish_inside==1'b1)?Init_data_reg1:Init_data_reg;
assign init_finish = (write_done == 1'b1 && WR_index == 'd1047) ? 1'b1 : 1'b0;//完成信号always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
beginif(rst_n == RST_T)Init_index <= 'd0;else if(Init_index == 'd26 && write_done == 1'b1 )Init_index <= 'd0;else if(write_done == 1'b1 && init_req == 1'b1)Init_index <= Init_index + 1'b1;elseInit_index <= Init_index;
end//初始化命令状态
always@(*)
begincase(Init_index)'d0:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hAE};'d1:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h00};'d2:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h10};'d3:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h40};'d4:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hB0};'d5:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h81};'d6:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hFF};'d7:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hA1};'d8:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hA6};'d9:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hA8};'d10:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h3F};'d11:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hC8};'d12:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hD3};'d13:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h00};'d14:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hD5};'d15:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h80};'d16:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hD8};'d17:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h05};'d18:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hD9};'d19:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hF1};'d20:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hDA};'d21:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h12};'d22:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hDB};'d23:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h30};'d24:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h8D};'d25:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'h14};'d26:		Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hAF};default:Init_data_reg <= {8'h78,8'h00,8'hAE};endcase
endalways @(posedge sys_clk or negedge rst_n) 
beginif(~rst_n)beginWR_index <= 11'd0;end else if(WR_index == 'd1048) beginWR_index <= 11'd0;endelse if(init_finish_inside == 1'b1 && write_done == 1'b1 && init_req == 1'b1)WR_index <= WR_index + 1'b1;elseWR_index <= WR_index;  
endalways @(posedge sys_clk or negedge rst_n) 
beginif(~rst_n)beginWR_addr <= 10'd0;end elsebeginif ((WR_index >= 11'd2) && (WR_index <= 11'd129)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd2;endelse if ((WR_index >= 11'd133) && (WR_index <= 11'd260)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd5;endelse if ((WR_index >= 11'd264) && (WR_index <= 11'd391)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd8;endelse if ((WR_index >= 11'd395) && (WR_index <= 11'd522)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd11;endelse if ((WR_index >= 11'd526) && (WR_index <= 11'd653)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd14;endelse if ((WR_index >= 11'd657) && (WR_index <= 11'd784)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd17;endelse if ((WR_index >= 11'd788) && (WR_index <= 11'd915)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd20;endelse if ((WR_index >= 11'd919) && (WR_index <= 11'd1046)) beginWR_addr <= WR_index - 11'd23;endend
end//初始化数据发送
always@(*) begincase (WR_index)11'd0: 	Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB0};11'd1:	Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd2:	Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 011'd131:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB1};11'd132:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd133:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 111'd262:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB2};11'd263:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd264:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 211'd393:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB3};11'd394:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd395:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 311'd524:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB4};11'd525:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd526:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 411'd655:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB5};11'd656:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd657:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 511'd786:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB6};11'd787:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd789:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 611'd917:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'hB7};11'd918:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h00}; 11'd919:Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h00,8'h10};// page 7default : Init_data_reg1 <= {8'h78,8'h40,WR_data}; //binary dataendcase
endassign WR_data = 8'hAA;//Change the instance name and port connections to the signal names
//--------Copy here to design--------Gowin_pROM your_instance_name(.dout 		(WR_data 	), 			//output [7:0] dout.clk 		(sys_clk 	), 			//input clk.oce 		( 		    ),  		//input oce.ce 		(1'b1 		), 			//input ce.reset	 	(~rst_n 	), 			//input reset.ad 		(WR_addr 	) 			//input [9:0] ad);//--------Copy end-------------------endmodule