OLED SSD1306

Código exemplo

Usar o código exemplo disponível em:

• https://github.com/insper-embarcados/pico-oled-ssd1306

O display OLED SSD1306 é um periférico compacto e amplamente utilizado em sistemas embarcados. Ele é baseado no controlador SSD1306, da Solomon Systech, que integra toda a lógica de controle do painel OLED em um único chip. O controlador é encontrado em módulos de diferentes resoluções — sendo as mais comuns 128×32 e 128×64 pixels — e suporta interfaces de comunicação I2C, SPI e paralela 8-bit. Neste exemplo, utilizamos a versão 128×32 com comunicação I2C.

Ao contrário de displays LCD, os painéis OLED emitem luz própria: cada pixel é um LED orgânico que acende individualmente, dispensando backlight. Isso resulta em contraste elevado, pretos verdadeiros e baixo consumo quando a maior parte da tela está apagada.

O diagrama a seguir ilustra o fluxo de dados entre o microcontrolador e o display:

    +----------+                       +----------+
    |    +-----|                       |          |
    |    | I2C | SDA/SCL ---------->  | SSD1306  |
    |    +-----|                       |   OLED   |
    | Pico     |                       |          |
    +----------+                       +----------+

No microcontrolador, toda a renderização é feita em software: a aplicação escreve em um framebuffer local na memória da Pico e, ao final de cada ciclo, o driver transfere esse conteúdo para a memória interna do SSD1306 via I2C. O controlador, então, lê continuamente sua própria GDDRAM e acende os pixels correspondentes — o microcontrolador não precisa fazer nada além de atualizar o framebuffer quando necessário.

Variantes do SSD1306

O controlador SSD1306 é encontrado em displays de diferentes resoluções, sendo as mais comuns 128×32 e 128×64 pixels. A biblioteca ssd1306 suporta ambas as variantes — basta ajustar o parâmetro height na chamada de ssd1306_init(). A pinagem e o endereço I2C são idênticos entre as variantes. Neste exemplo utilizamos a versão 128×32.

Protocolo I2C

O I2C (Inter-Integrated Circuit) é um protocolo de comunicação serial síncrono criado pela Philips (hoje NXP) que utiliza apenas dois fios:

• SDA (Serial Data): linha bidirecional por onde os dados trafegam
• SCL (Serial Clock): sinal de clock gerado pelo controller para sincronizar a comunicação

O barramento I2C segue um modelo controller-target: o microcontrolador (controller) inicia todas as transações, e os periféricos (targets) respondem quando endereçados. Cada target possui um endereço de 7 bits único no barramento, o que permite conectar múltiplos dispositivos nos mesmos dois fios simultaneamente — desde que não compartilhem o mesmo endereço.

Pico (controller)
    |
    +--- SDA ---+--- SSD1306 (0x3C) ---+--- outro sensor (0x48) ---...
    |           |
    +--- SCL ---+

As linhas SDA e SCL são do tipo open-drain: os dispositivos apenas puxam a linha para baixo (nível 0); para nível alto, dependem de resistores de pull-up conectados ao VCC. Na Pico, esses pull-ups podem ser habilitados via software, dispensando resistores externos para velocidades padrão.

O I2C opera em diferentes velocidades:

Modo	Velocidade
Standard	100 kHz
Fast	400 kHz
Fast-plus	1 MHz

Neste exemplo, o barramento é configurado a 400 kHz (modo Fast), que é o máximo suportado pelo SSD1306.

Uma transação I2C para escrita segue a seguinte sequência:

1. Controller envia condição de START
2. Controller envia o endereço do target (7 bits) + bit de escrita (0)
3. Target responde com ACK
4. Controller envia bytes de dados; target confirma cada um com ACK
5. Controller envia condição de STOP

TIP

No SSD1306, cada byte enviado após o endereço é precedido por um byte de controle que indica se o dado é um comando (configuração do display) ou dado gráfico (conteúdo do framebuffer). O driver ssd1306 cuida desses detalhes automaticamente.

Controlador SSD1306

O SSD1306 possui internamente uma memória chamada GDDRAM (Graphic Display Data RAM) com 128×64 bits, organizada em 8 páginas de 128 bytes cada. Cada bit corresponde a um pixel. O controlador lê essa memória continuamente e controla o painel OLED de acordo.

A comunicação com o SSD1306 via I2C distingue dois tipos de conteúdo pelo byte de controle:

• 0x00 → o próximo byte é um comando (configura contraste, orientação, modo de endereçamento, liga/desliga display, etc.)
• 0x40 → os bytes seguintes são dados gráficos a serem escritos na GDDRAM

O SSD1306 suporta três modos de endereçamento da GDDRAM: por página, horizontal e vertical. O driver utiliza o modo de endereçamento horizontal, que permite transferir o framebuffer inteiro em uma única transação I2C, percorrendo automaticamente todas as colunas e páginas.

Montagem Exemplo

Conecte o hardware como indicado a seguir:

Pico	OLED SSD1306
GPIO 2	SDA
GPIO 3	SCL
3.3V	VCC
GND	GND

O exemplo faz uso dos pinos:

• OLED-VCC: 3.3V (alimentação)
• OLED-GND: GND (alimentação)
• OLED-SDA: Ligado ao I2C1 - SDA (GPIO 2)
• OLED-SCL: Ligado ao I2C1 - SCL (GPIO 3)

Firmware Exemplo

Marco adicionar imagem imgs-dispositivos/oled-ssd1306/firmware.png

O firmware opera sem FreeRTOS, com um laço principal (while(true)) que atualiza o display a cada 10 ms.

A inicialização é feita diretamente no main(): gpio_config() configura os GPIOs 14 a 17 como entrada com pull-up, e oled_init() prepara o barramento I2C e o display. Em seguida, exibe a mensagem "Iniciando..." por 1 segundo e limpa a tela antes de entrar no laço principal.

A função oled_init() executa a seguinte sequência:

• i2c_init(i2c1, 400000) — inicializa o barramento I2C1 a 400 kHz
• Configura GPIO 2 e GPIO 3 como função I2C
• Ativa os pull-ups internos nos pinos SDA e SCL
• Chama ssd1306_init(&disp, 128, 32, 0x3C, i2c1) para inicializar o display 128×32
• Limpa a tela e envia o framebuffer inicial com ssd1306_show()

No laço principal, a cada ciclo o framebuffer é limpo, os quatro GPIOs são lidos e seus estados escritos no display em duas colunas, e ssd1306_show() transfere o conteúdo ao display:

Posição	Conteúdo
Coluna esquerda, linha 0	GP14=TRUE ou GP14=FALSE
Coluna direita, linha 0	GP17=TRUE ou GP17=FALSE
Coluna esquerda, linha 24	GP15=TRUE ou GP15=FALSE
Coluna direita, linha 24	GP16=TRUE ou GP16=FALSE

A leitura das entradas é feita por gpio_config(), que configura os pinos abaixo como entrada com pull-up:

GPIO	Função
GPIO 14	Entrada 1
GPIO 15	Entrada 2
GPIO 16	Entrada 3
GPIO 17	Entrada 4

Camada Gráfica

A renderização do conteúdo é feita em um framebuffer local na memória da Pico — um array de bytes que representa a tela pixel a pixel. A estrutura do sistema segue o modelo de camadas abaixo:

Aplicação -> Biblioteca Gráfica -> Driver SSD1306 -> I2C -> Display

• A aplicação decide o que deve ser mostrado
• A biblioteca gráfica organiza o conteúdo no framebuffer em memória
• O driver SSD1306 traduz o framebuffer em comandos e dados I2C, transferindo-o para a GDDRAM do controlador

Esse modelo evita atualizações desnecessárias diretamente no hardware: a tela só muda quando ssd1306_show() é chamado. O driver fornece funções para inicializar o painel, limpar a tela, desenhar strings e enviar o framebuffer.

Framebuffer x GDDRAM

O framebuffer vive na RAM da Pico e pode ser modificado livremente a qualquer momento, sem custo de comunicação. A GDDRAM é a memória interna do SSD1306 que de fato controla os pixels. A chamada ssd1306_show() é o momento em que os dois são sincronizados via I2C.

WARNING

No código atual, o display é limpo e reescrito a cada ciclo do laço principal. Em aplicações mais complexas, considere atualizar o display apenas quando o estado mudar para reduzir o tráfego no barramento I2C e liberar tempo de CPU.

Testando

Para validar o funcionamento do OLED, compile e grave o firmware na Raspberry Pi Pico. Ao iniciar, o display deve exibir "Iniciando..." por 1 segundo e, em seguida, começar a exibir o estado das entradas em tempo real.

Verificando a montagem

Se a tela permanecer em branco, verifique os pontos abaixo:

• Alimentação VCC (3.3V) e GND conectados corretamente
• Ligações de SDA (GPIO 2) e SCL (GPIO 3) sem inversão
• GPIOs corretos configurados no firmware
• Endereço I2C do display definido como 0x3C no código

Comportamento esperado

O display exibe o estado dos quatro GPIOs em duas colunas. Quando as entradas mudarem de estado, o conteúdo é atualizado no próximo ciclo do laço principal:

• GP14=TRUE ou GP14=FALSE
• GP15=TRUE ou GP15=FALSE
• GP16=TRUE ou GP16=FALSE
• GP17=TRUE ou GP17=FALSE