从点阵到OLED屏幕——动态扫描显示原理

在我们买电脑、手机或者电视时，厂家常常会宣传他们的产品用的是什么屏幕，分辨率达到2K或者4K，色彩有多鲜艳，刷新率有多高。

这些参数到底是什么意思？屏幕到底是如何显示出我们想要的文字、图片以及视频呢？本文将从LED点阵开始，讲解以上参数以及其工作原理。

首先，我们需要了解几个关于屏幕的重要参数：屏幕类型、分辨率、色彩分辨度、刷新率。

屏幕类型：关注过手机参数就知道，早些年的手机屏幕，大都是LCD或者TFT屏，现在的手机屏幕大都采用OLED、AMOLED，电脑还会采用IPS屏（TFT的升级版）。不同的屏幕类型反映的是不同的发光原理。

比如LCD屏幕显示原理就是在两块平行板之间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示图象，加上滤光层后，就可实现显示彩色图象，总结来说就是遮光，所以LCD屏需要背光才能显示图像。

而OLED则是通过有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的，属于自发光类型，所以这种屏幕不需要背光就能显示图像。OLED或者AMOLED手机的息屏显示就是利用了该特性。

其他类型的屏幕基本都是这两种屏幕的分支。这里暂不展开介绍。

分辨率：分辨率反应的是屏幕像素组成。在显微镜下观察手机屏幕，或者凑近观察以前的老电视机屏幕，就会发现，屏幕里面均匀的排布着一个个彩色小点，这些小点就是像素点。

如果是黑白屏幕（例如墨水屏），我们可以把每个像素点看成一个白色小灯。每个像素点只有1或者0两种状态，分别代表着这个像素点是亮还是灭。

如果是彩色屏幕，一个像素点则由红绿蓝（RGB）三个彩色小灯组成。每个小灯又根据发光强度的不同分为很多等级（假设有n种），如此，三个小灯组合在一起，就有n*n*n种色彩了（任何颜色都可以用红绿蓝三种颜色按比例混合而成）。虽然有三个小灯，但它们是“绑”在一起的，互相配合才形成一个像素点。

分辨率反映的就是像素点的排列情况。我们通常所说的1080P、2K、4K分辨率其实是一个简称。比如1080P分辨率的屏幕（现在的中低端手机大都采用这种分辨率的屏幕），其像素排列规范为1920x1080（现在的全面屏手机分辨率一般为2340*1080），也就是整个屏幕共有1920列，1080行，总共2073600个像素点。2K像素排列标准为2048x1080，可以看到2K的像素点是要高于1080P的，所以说2K分辨率比1080P高，4K（UHDTV标准为3840x2160）则要更高。因为像素点越多，屏幕就能显示更多的东西，所以分辨率越高，屏幕画面看起来就越清晰。

色彩分辨度：色彩分辨度针对的是彩屏，黑白屏幕就没有色彩一说了，或者说分辨度为2（只有黑与白两种颜色）。前面讲到，彩色屏幕的一个像素点则由红绿蓝（RGB）三个彩色小灯组成，每个小灯又根据发光强度的不同分为很多状态。色彩分辨度就是取决于每个小灯的发光强弱能分为多少个等级。假设每个颜色的小灯都有256级（2^8）发光强度，三个灯组合就有256*256*256=16777216种颜色。因其色彩数为2^24，所以这种色彩标准就是24位真彩色，从颜色组成比例来看也称RGB888。这种色彩分辨度属于高标准的，大部分手机屏幕都达不到该标准，普通的手机屏幕大概只有1600万色，不过也能满足需求，只有在对色彩要求特别高（比如图像处理）才会用到24位真彩色屏幕。

除了24位真彩色，还有一种稍低的色彩分辨度标准：16位真彩。这种也是红绿蓝三色组成一个像素点，但是不像24位每个颜色的都有256级，红绿蓝三色的颜色分级分别为32（2^5）、64(2^6)、32（2^5），这种比例标准称为RGB565。其色彩只有65535种（2^16）。

所以，要想能显示24位真彩屏的所有颜色，一个像素点就需要24bit，即3Byte的数据，而16位真彩只需要16bit，即2Byte的数据。

刷新率：刷新率即刷新屏幕的速率，其单位为帧或者Hz。屏幕显示本来是一帧一帧静态的画面，将它们连续刷新就得到了动态画面，在1秒钟内，屏幕刷新了几次静态的画面就表示其刷新率为多少。普通的手机电脑屏幕刷新率一般只有60帧，稍微好点的手机屏幕已经适配90帧，甚至更高的120帧。电竞屏已经可以达到144Hz、240Hz了。刷新率高最直观的感受就是画面更流畅了。

接下来，将详细讲解屏幕的刷新原理（动态扫描）

在我前面的文章中有讲到过数码管的动态扫描，其实原理相同。只是屏幕稍复杂些。

我们先从8*8的LED点阵显示ASCII码字符讲起（要能清晰显示所有ASCII字符所需的最小像素为8*6），下面就是我们单片机学习时会见到的LED点阵。

这种点阵在生活中也是很常见的，像银行、酒店门口的滚动显示的广告牌就是这种小点阵拼接而成的。

通过点亮特定位置的LED，就得到了我们想要显示的字符图案。

8x8LED点阵其实就是一块最简单的屏幕的。其参数为：分辨率8x8，色彩分辨度2，刷新率取决于驱动程序，它的每个像素点就是一个小LED灯。

每个LED灯有两个引脚，这里假设采用共阴接法，将所有LED的阴极接在一起并接地，如果想要能单独点亮所有LED灯，用最简单的实现方法是给每个LED的阳极都用一个端口来控制，只要对应的端口给阳极加电压，就能点亮LED灯了。那这个LED点阵就需要8x8=64个引脚才能单独控制所有LED。

如果用单片机来控制，单片机的IO口很可能不够用。如果点阵再大些，比如10*10的，那就需要100个了，根本就无法实现了，更别说分辨率更高的屏幕了。

这时候就需要用到动态扫描了。

何为动态扫描？那是不是也有静态的？

上面说到的显示方式有个特点，假如我要显示的字符或者图案是不变的，那我的控制端口的状态也是不变的，或者说是静态的，这种显示方式就是静态显示。刚才已经计算过，随着像素的增加，需要的IO口也增加，显然无法满足高分辨率屏幕的刷新。

所以不得以使用动态扫描，我们先来了解动态扫描的实现原理。

下图是实现动态扫描的接线图。

同一行的LED共阳极并引出到左边，共8个引脚；同一列的LED共阴极并引出到上面，共8个引脚。总共16个引脚，可以看到，64个LED采用动态扫描后只要16个端口就能控制。

那到底是如何控制的呢？

这里我们使用STM32单片机控制该点阵，PA1-PA8按顺序连着第1行-第8行引出的线，PB1-PB8按顺序连着第一列-第8列引出线。

动态扫描分为行扫描与列扫描，这里以列扫描为例。列扫描即从左往右或者从右往左扫描（习惯左到右）。

假设我们要显示ASCII中的 "H",那么应该点亮的LED应当如下图所示。

按照列扫描的逻辑，即把上面的字样按列分为8部分，每部分正好是每列要扫描的图案。

从LED点亮的条件来看，扫描哪一列，对应的PB口就要置低电平，其他PB口置高电平。PA口则按照该列的图案将需要点亮的LED灯阳极置高电平，不需要点亮的置低电平。

如果将需要点亮的LED用1表示，不需要点亮的用0表示，这样就得到了“H”字符编码：

0x00, 0x7F, 0x08, 0x08, 0x08, 0x7F, // H

（C语言中无法直接定义Bool型变量，所以将每一列的8个LED作为一个Byte，上面为低位，下面为高位，例如第2列，从上到下二进制表示为1111 1110，转换成十六机制即0x7F）

现在我们进行字符“H”动态扫描慢动作分解：

1.扫描第1列

PB：PB1置0，其他置1（0xFE）

PA：第一列没有LED需要点亮，所以全部置0（0x00）

短暂延时（1ms）

2.扫描第2列

PB：PB2置0，其他置1（0xFD）

PA：第2列中PA1-PA7需要点亮，所以PA1-PA7置1，PA8置0（0x7F）

短暂延时（1ms）

3.扫描第3列

PB：PB3置0，其他置1（0xFB）

PA：第3列中只有PA4需要点亮，所以PA4置1，其他置0（0x08）

短暂延时（1ms）

4. 扫描第4列

PB：PB4置0，其他置1（0xF7）

PA：第4列中只有PA4需要点亮，所以PA4置1，其他置0（0x08）

短暂延时（1ms）

5.扫描第5列

PB：PB5置0，其他置1（0xEF）

PA：第5列中只有PA4需要点亮，所以PA4置1，其他置0（0x08）

短暂延时（1ms）

6. 扫描第6列

PB：PB6置0，其他置1（0xDF）

PA：第6列中PA1-PA7需要点亮，所以PA1-PA7置1，PA8置0（0x7F）

短暂延时（1ms）

（由于显示ASCII字符只要6列就足够，所有后面两列就可以不用扫描了）

第6列扫描完成之后，经过1ms延时后立马又回到第一列扫描。并一直循环上述过程。

由于扫描速度很快，利用人眼的视觉暂留效应，最终得到的效果是六张扫描图的叠加即“H”的字样。关于视觉暂留效应可看我关于数码管的文章，里面有详细介绍。

在显示“H”的字符过程中，16个端口的高低电平都发生了变化，所以我们称该显示方式为动态扫描。

如果要显示其他字符，则按照字模取出对应的编码即可。

这里我将所有ASCII字符进行编码并放在一个127*6的数组中，如下：

unsigned char Dictionary_ASCII8x6[127][6]=
{0,0,0,0,0,0,//0    0,0,0,0,0,0,//1 0,0,0,0,0,0,//2 0,0,0,0,0,0,//3 0,0,0,0,0,0,//4 0,0,0,0,0,0,//5 0,0,0,0,0,0,//6 0,0,0,0,0,0,//7 0,0,0,0,0,0,//8 0,0,0,0,0,0,//9 0,0,0,0,0,0,//10    0,0,0,0,0,0,//11    0,0,0,0,0,0,//12    0,0,0,0,0,0,//13    0,0,0,0,0,0,//14    0,0,0,0,0,0,//15    0,0,0,0,0,0,//16    0,0,0,0,0,0,//17    0,0,0,0,0,0,//18    0,0,0,0,0,0,//19    0,0,0,0,0,0,//20    0,0,0,0,0,0,//21    0,0,0,0,0,0,//22    0,0,0,0,0,0,//23    0,0,0,0,0,0,//24    0,0,0,0,0,0,//25    0,0,0,0,0,0,//26    0,0,0,0,0,0,//27    0,0,0,0,0,0,//28    0,0,0,0,0,0,//29    0,0,0,0,0,0,//30    0,0,0,0,0,0,//31   //0-31为回车、换行等特殊功能0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,//32 空格0x00, 0x00, 0x00, 0x2f, 0x00, 0x00,//33 ! 0x00, 0x00, 0x07, 0x00, 0x07, 0x00,//34 "  0x00, 0x14, 0x7f, 0x14, 0x7f, 0x14,//35 #   0x00, 0x24, 0x2a, 0x7f, 0x2a, 0x12,//36 $   0x00, 0x23, 0x13, 0x08, 0x64, 0x62,//37 %   0x00, 0x36, 0x49, 0x55, 0x22, 0x50,//38 &   0x00, 0x00, 0x05, 0x03, 0x00, 0x00,//39 '  0x00, 0x00, 0x1c, 0x22, 0x41, 0x00,//40 (   0x00, 0x00, 0x41, 0x22, 0x1c, 0x00,//41 )   0x00, 0x14, 0x08, 0x3E, 0x08, 0x14,//42 *   0x00, 0x08, 0x08, 0x3E, 0x08, 0x08,//43 +  0x00, 0x00, 0x00, 0xA0, 0x60, 0x00,//44 ,   0x00, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08,//45 -   0x00, 0x00, 0x60, 0x60, 0x00, 0x00,//46 .   0x00, 0x20, 0x10, 0x08, 0x04, 0x02,//47 /   0x00, 0x3E, 0x51, 0x49, 0x45, 0x3E,//48 00x00, 0x00, 0x42, 0x7F, 0x40, 0x00,//49 1  0x00, 0x42, 0x61, 0x51, 0x49, 0x46,//50 2   0x00, 0x21, 0x41, 0x45, 0x4B, 0x31,//51 3   0x00, 0x18, 0x14, 0x12, 0x7F, 0x10,//52 4   0x00, 0x27, 0x45, 0x45, 0x45, 0x39,//53 5   0x00, 0x3C, 0x4A, 0x49, 0x49, 0x30,//54 6   0x00, 0x01, 0x71, 0x09, 0x05, 0x03,//55 7   0x00, 0x36, 0x49, 0x49, 0x49, 0x36,//56 8   0x00, 0x06, 0x49, 0x49, 0x29, 0x1E,//57 9   0x00, 0x00, 0x36, 0x36, 0x00, 0x00,//58 :   0x00, 0x00, 0x56, 0x36, 0x00, 0x00,//59 ;   0x00, 0x08, 0x14, 0x22, 0x41, 0x00,//60 <    0x00, 0x14, 0x14, 0x14, 0x14, 0x14,//61 =  0x00, 0x00, 0x41, 0x22, 0x14, 0x08,//62 >    0x00, 0x02, 0x01, 0x51, 0x09, 0x06,//63 ?   0x00, 0x32, 0x49, 0x59, 0x51, 0x3E,//64 @  0x00, 0x7C, 0x12, 0x11, 0x12, 0x7C,//65 A   0x00, 0x7F, 0x49, 0x49, 0x49, 0x36,//66 B   0x00, 0x3E, 0x41, 0x41, 0x41, 0x22,//67 C   0x00, 0x7F, 0x41, 0x41, 0x22, 0x1C,//68 D   0x00, 0x7F, 0x49, 0x49, 0x49, 0x41,//69 E   0x00, 0x7F, 0x09, 0x09, 0x09, 0x01,//70 F   0x00, 0x3E, 0x41, 0x49, 0x49, 0x7A,//71 G   0x00, 0x7F, 0x08, 0x08, 0x08, 0x7F,//72 H   0x00, 0x00, 0x41, 0x7F, 0x41, 0x00,//73 I   0x00, 0x20, 0x40, 0x41, 0x3F, 0x01,//74 J   0x00, 0x7F, 0x08, 0x14, 0x22, 0x41,//75 K   0x00, 0x7F, 0x40, 0x40, 0x40, 0x40,//76 L   0x00, 0x7F, 0x02, 0x0C, 0x02, 0x7F,//77 M   0x00, 0x7F, 0x04, 0x08, 0x10, 0x7F,//78 N   0x00, 0x3E, 0x41, 0x41, 0x41, 0x3E,//79 O   0x00, 0x7F, 0x09, 0x09, 0x09, 0x06,//80 P   0x00, 0x3E, 0x41, 0x51, 0x21, 0x5E,//81 Q   0x00, 0x7F, 0x09, 0x19, 0x29, 0x46,//82 R   0x00, 0x46, 0x49, 0x49, 0x49, 0x31,//83 S   0x00, 0x01, 0x01, 0x7F, 0x01, 0x01,//84 T   0x00, 0x3F, 0x40, 0x40, 0x40, 0x3F,//85 U   0x00, 0x1F, 0x20, 0x40, 0x20, 0x1F,//86 V   0x00, 0x3F, 0x40, 0x38, 0x40, 0x3F,//87 W   0x00, 0x63, 0x14, 0x08, 0x14, 0x63,//88 X   0x00, 0x07, 0x08, 0x70, 0x08, 0x07,//89 Y   0x00, 0x61, 0x51, 0x49, 0x45, 0x43,//90 Z   0x00, 0x00, 0x7F, 0x41, 0x41, 0x00,//91 [   0x00, 0x55, 0x2A, 0x55, 0x2A, 0x55,/*92 \   */0x00, 0x00, 0x41, 0x41, 0x7F, 0x00,//93 ] 0x00, 0x04, 0x02, 0x01, 0x02, 0x04,//94 ^   0x00, 0x40, 0x40, 0x40, 0x40, 0x40,//95 _   0x00, 0x00, 0x01, 0x02, 0x04, 0x00,//96 '  0x00, 0x20, 0x54, 0x54, 0x54, 0x78,//97 a   0x00, 0x7F, 0x48, 0x44, 0x44, 0x38,//98 b   0x00, 0x38, 0x44, 0x44, 0x44, 0x20,//99 c   0x00, 0x38, 0x44, 0x44, 0x48, 0x7F,//100 d  0x00, 0x38, 0x54, 0x54, 0x54, 0x18,//101 e  0x00, 0x08, 0x7E, 0x09, 0x01, 0x02,//102 f  0x00, 0x18, 0xA4, 0xA4, 0xA4, 0x7C,//103 g  0x00, 0x7F, 0x08, 0x04, 0x04, 0x78,//104 h  0x00, 0x00, 0x44, 0x7D, 0x40, 0x00,//105 i  0x00, 0x40, 0x80, 0x84, 0x7D, 0x00,//106 j  0x00, 0x7F, 0x10, 0x28, 0x44, 0x00,//107 k  0x00, 0x00, 0x41, 0x7F, 0x40, 0x00,//108 l  0x00, 0x7C, 0x04, 0x18, 0x04, 0x78,//109 m  0x00, 0x7C, 0x08, 0x04, 0x04, 0x78,//110 n  0x00, 0x38, 0x44, 0x44, 0x44, 0x38,//111 o  0x00, 0xFC, 0x24, 0x24, 0x24, 0x18,//112 p  0x00, 0x18, 0x24, 0x24, 0x18, 0xFC,//113 q  0x00, 0x7C, 0x08, 0x04, 0x04, 0x08,//114 r  0x00, 0x48, 0x54, 0x54, 0x54, 0x20,//115 s  0x00, 0x04, 0x3F, 0x44, 0x40, 0x20,//116 t  0x00, 0x3C, 0x40, 0x40, 0x20, 0x7C,//117 u  0x00, 0x1C, 0x20, 0x40, 0x20, 0x1C,//118 v  0x00, 0x3C, 0x40, 0x30, 0x40, 0x3C,//119 w  0x00, 0x44, 0x28, 0x10, 0x28, 0x44,//120 x  0x00, 0x1C, 0xA0, 0xA0, 0xA0, 0x7C,//121 y  0x00, 0x44, 0x64, 0x54, 0x4C, 0x44,//122 z  0x00,   0x08,   0x77,   0x41,   0x00,   0x00,//123  {0x00,  0x08,   0x7F,   0x00,   0x00,   0x00,//124  |0x00,  0x41,   0x77,   0x08,   0x00,   0x00,//125  }0x00,  0x08,   0x04,   0x08,   0x10,   0x08 //126  ~
};

这样我们就可以显示任意ASCII的字符了。

这里我封装了一个简单的Printf_ASCII（）函数，调用该函数就能显示括号中的字符（注意字符要加英文双引号）

void Printf_ASCII(char Indexes)        //输出ASCII字符函数
{int X_axis[8]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F};  int x;while(1){for(x=0;x<6;x++)        //循环按列扫描{GPIO_Write(GPIOB, X_axis[x]<<1);            //左移一位GPIO_Write(GPIOA, Dictionary_ASCII8x6[Indexes][x]<<1);  // 在ASCII字符数组中寻码Delay_ms(1);GPIO_Write(GPIOA, 0);       //清码，防止串码}}
}

上面的列和行都有个左移一位的处理，是因为PA与PB都是从PA0、PB0开始的，而我是从PA1、PB1开始接线。GPIO_Write函数是对PA0-PA15、PB0-PB15这16位bit进行操作的，所以左移一位后刚好对齐PA1-PA8。如果是接的PA0-PA7，PB0-PB7，则不需要左移一位。

了解的点阵的扫描原理，OLED或者其他屏幕都是基于此，可以看成多个8*8点阵拼接而成，只是他们扫描的列与行更多而已。

下文我将以SSD1603驱动的0.96寸OLED屏幕为例讲解OLED的使用。

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