一种基于LPC1788的OLED显示按键矩阵设计

周国良，曾范昌

(中国船舶重工集团公司第七一六研究所，江苏 连云港 222006)

1 引 言

随着军用装备的不断更新换代和人机交互技术的发展，不仅对操控设备的性能要求越来越高，对操控设备的可视化和图形化的显示需求、人机界面友好性的要求也越来越迫切，并对操控设备的功耗、减少光污染方面提出了更高的要求。在车载、舰载、机载等一体化大屏幕显示器应用中，周围需要大量的按键来辅助实现操控信息的输入输出[1]，以更加方便、直观、快捷地实现人机信息的交互。

传统的按键矩阵多采用瑞士EAO公司和国内851厂的按键，按键标识采用胶片印字的方式，并通过LED背光源实现按键表面标识字符的发光显示，无法实现按键的通用化设计和按键功能数量的扩展，想要更改按键的功能标识只能重新设计胶片进行更换，对于现场按键标识的更改非常不方便，并且采用LED灯作为背光源，照明不均匀，胶片的显示效果差。如果按键数目不能满足设计要求，只能重新设计按键矩阵，可扩展性差，无法满足硬件通用化设计。

OLED显示屏具有广视角、高亮度、自发光、响应速度快、高清晰、低功耗、抗震性能优异、制造成本低、超轻、超薄等特点，在手持终端及嵌入式设备，应用范围及其广泛[2-3]。将OLED屏应用到按键上，可以充分满足用户可视化、图形化的显示需求。本文为了实现人机交互场景中按键矩阵的硬件通用化设计，按键功能软件自定义、按键功能数量可扩展，对OLED显示按键进行了研究，并设计了基于LPC1788的OLED显示按键矩阵，将字库、图片存储在板载Flash中，实现了显示文字、图片的软件可配置。将OLED图形显示技术应用于显示按键，实现按键提示信息可编程，按键功能标识及显示内容可配置，按键数量通过设置翻页功能可扩展，进一步节省了人机交互空间、简化了人机交互设备，提升了人机交互体验[4-5]。

2 系统设计

2.1 矩阵系统的硬件构成

基于LPC1788的 OLED显示按键矩阵设计[6]，采用面向用户的设计理念，实现硬件通用化设计，按键功能、按键显示画面可通过软件实现用户自定义，控制板采用NXP公司的LPC1788处理芯片，按键矩阵主要包括OLED按键、SPI FLASH 模块、PWM调光模块、电源电路、MCU处理模块以及上位机六部分，系统功能框图如图1所示，以下分别介绍各部分的组成及功能[7]。

图1 系统功能框图Fig.1 Function block diagram of system

2.2 OLED按键

OLED显示按键矩阵采用的是NKK公司的ISF型OLED显示按键，为彩色OLED显示模块，16位模式下达65 536色范围，能满足细小文字、图表的精细显示，180°视角，显示达6行，每行10个字符。具有高清晰度、高对比度的特点，分辨率为96×64像素，集成了位图显示功能，结构尺寸小，通过指令及串行通讯接口提供数据(SPI接口)进行显示，可视面积达21.28 mm×18.74 mm。图2为ISF型OLED显示按键功能框图。按键结构紧凑，可靠性高，操作流畅静音，具有单元组合显示功能，应用方便灵活。

图2 OLED显示按键功能框图Fig.2 Function block diagram of OLED key

OLED显示按键通过从选择信号、复位信号、数据指令控制信号3个控制信号和SPI接口实现与MCU的数据通信。控制信号SS为OLED显示按键从选择信号，低电平有效；RES为OLED显示按键的复位信号，低电平有效，复位时OLED显示按键进行初始化；D/C为OLED显示按键数据、指令控制，低电平数据解析为指令，高电平数据被认为数据；SCK为OLED显示按键的SPI接口的时钟；SDI为OLED显示按键的数据线；VDD为逻辑电路电源，控制OLED显示按键的背光亮度；一对SW引脚为开关两端，VCC、GND为OLED显示按键的电源和地信号。图3为ISF型OLED显示按键的驱动时序，表1为ISF型OLED显示按键的驱动时序参数[8]。

图3按键驱动时序Fig.3 Display key drive timing

表1 按键时序参数Tab.1 Display key timing parameters

2.3 SPI FLASH模块

OLED显示按键集成了位图显示功能，能进行小文字、图表的精细显示，但按键本身没有存储器，字库和需要显示的图只能存储在外置存储器中，本文采用了外置Flash的方式，进行字库和图片的存储。Flash选用了ST公司的SPI 接口FLASH M25P128，存储空间128 Mbit。32号字的字库为1 MB左右，96×64像素的彩色图片每张大约为16 KB,可以满足大约数万张16 KB的图片存储需求[9]。

2.4 PWM调光模块

PWM调光模块包括光强传感器和调光电路，光强传感器采用MAX44009串口光强度传感器模块，测量范围0.045 ～188 000 lx，并且具有I2C接口，MCU可直接通过I2C总线进行数据采集。

根据OLED显示按键背光的亮度由按键的逻辑电源VDD控制，逻辑电源典型值为DC 15 V，为了实现OLED按键的亮度调节设计了基于PWM调压技术的调光电路。如图4所示为PWM调光电路，PWM调光电路通过LPC1788 通用PWM管脚输出占空比可调的方波信号，PWM信号经过两级开关三极管进行电压变换，并进行两级LC积分滤波处理，得到输出为接近直流的电压信号，电压信号的幅值为15×X(V)，其中X为PWM信号占空比，其值为0～100%，通过调节PWM信号的占空比从而实现了OLED显示按键逻辑电源0～15V区间内可连续平滑调节，即实现了OLED显示按键亮度调节，OLED显示按键亮度调节范围0～250 cd/m2[10-13]，可以满足在白天、傍晚、黑夜等不同光线条件下的按键的亮度调节需求和文字、图片的显示需求。

图4 PWM调光电路Fig.4 Design of PWM dimmer circuit

2.5 电源电路

OLED显示按键矩阵电源采用+5 V外部电源供电，内部需要VCC +3.3 V和VDD +15 V两种电源供电，根据图5按键状态变换和图6电源上电、断电顺序，设计了图7电源供电电路，供电电路选用了Linear公司的LTC3531ES6-3.3电源芯片产生+3.3 V、TI的TPS61041电源芯片产生+15 V，并选用了TI的TPS3103K33芯片来控制+3.3 V和+15 V的上电时序。

图5 按键状态变换Fig.5 State transformation of display keys

图6 按键上电顺序Fig.6 Power-on sequence of keys

2.6 MCU处理模块

MCU处理模块采用NXP公司的LPC1788，该芯片为ARM7框架，外设组件包括高达512 kB的Flash存储器、高达92 kB的数据存储器、4 kB的EEPROM存储器、一个用于SDRAM和静态存储器存取的外部存储器控制器、一个6输出的通用PWM、具有以太网MAC、USB、UART、SSP控制器、I2C、双通道CAN等丰富的通信接口、一个正交编码器接口、4个通用定时器、一个带独立电源和时间监控器/记录器的超低功耗RTC、一个窗口看门狗定时器,丰富的资源有效减少了外围电路。

图8 MCU处理模块功能框图Fig.8 Function block diagram of MCU processing module

图8所示为MCU处理模块功能框图，MCU处理模块以LPC1788为核心处理芯片，主要功能包括控制SPI flash、EEPROM的读写，OLED按键的时序控制，以及对外提供USB、RS232、RS422、CAN接口等通信接口。

3 软件设计

软件设计主要包括LPC1788的固件设计和OLED按键矩阵上位机设计，为提高控制系统的可靠性，控制系统的软件采用模块化结构，上位机配置界面如图9所示。上位机界面分为通信接口选择、按键编号选择、字库选择、按键背景配置、按键字体配置、按键图片配置等，图10所示为OLED按键矩阵配置流程图。

图9 上位机配置界面Fig.9 Configuration interface of display Key

图10 按键配置流程Fig.10 Process of key configuration

4 设计实现

OLED显示按键矩阵核心部件是键盘控制板，OLED按键安装在键盘控制板上，每个按键通过金属管脚焊接在键盘控制板上，键盘控制板安装在结构外壳的内部，并通过结构外壳上表面开孔将OLED按键裸露出来，进行显示与按键操作。OLED按键与结构外壳上表面平齐安装。

OLED按键矩阵需要显示的字库和图片存储于键盘控制板的Flash存储器中，LPC1788通过SPI接口与OLED按键通信，根据需要读取Flash中存储的字库和图片到OLED按键进行显示。

LPC1788控制器实时检测OLED按键的抬起、按下变化情况，输出按键抬起、按下变化的编码值，同时根据按键抬起、按下状态从Flash中读取需要显示的内容，从而控制OLED按键的显示内容。按键矩阵一方面可以通过照度传感器实时检测环境光照强度，并根据环境光照轻度调节按键背光的亮度，也可以通过上位机设置白天、傍晚、黑夜3种亮度模式调整按键背光亮度。

OLED显示按键矩阵在设计及试制后，完成了调试验证工作，并进行了批量生产，产品实物如图11所示，按键矩阵由9行2列总共18个OLED显示按键组成，实现了硬件通用化、软件可定义设计，按键矩阵通过USB接口与上位机进行通信，可以根据软件配置灵活的定义按键功能和显示内容。OLED显示按键矩阵还具有翻页扩展功能，通过按键翻页实现对同一个按键的多功能定义，满足更多按键个数的需求。

图11 按键矩阵实物显示图Fig.11 Object of display key matrix

5 结 论

设计的基于LPC1788的 OLED显示按键矩阵设计，实现了按键矩阵的硬件通用化设计、软件可扩展设计，按键矩阵由18个NKK公司的ISF型OLED显示按键组成，按键显示分辨率96×64像素，180°视角，调光范围0～250 cd/m2，高清晰度、高对比度，全屏幕显示，通过软件灵活配置，实现矩阵翻页设计，扩展为更多的按键需求，节省了结构空间。实现了按键背光根据环境光照强度的自动调节，达到减少光污染、延长产品使用寿命的目的。产品具有低功耗、清晰度高、人机界面友好、通用性强、可靠性高、可移植性好、外形美观等特点，现在已经实现了批量化生产和推广应用。随着OLED显示技术的进一步发展，性能的进一步提升，在车载、舰载、机载等人机交互场景中应用范围必将越来越广。