基于FPGA的OLED真彩色顯示的設(shè)計方案簡述

利用FPGA 控制模塊，設(shè)計了OLED 真彩色動態(tài)圖像驅(qū)動控制電路。介紹采用FPGA 實現(xiàn)OLED 外圍控制電路和256 級灰度的方法，并分析電路中模塊的作用及整個電路的工作過程。電路系統(tǒng)采用基于Altera 公司的FPGA技術(shù)進行設(shè)計，以Verilog HDL 為描述語言，Modelsim 仿真結(jié)果表明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)預定目標，實現(xiàn)480 × RGB ×640 彩色OLED 屏256 級灰度顯示。

作為第3 代顯示器，有機電致發(fā)光器件( OrganicLight Emitting Diode,OLED) 由于其主動發(fā)光、響應快、高亮度、全視角、直流低壓驅(qū)動、全固態(tài)以及不易受環(huán)境影響等優(yōu)異特性，具有LCD 無法比擬的優(yōu)點，在手機、個人電子助理( PDA) 、數(shù)碼相機、車載顯示、筆記本電腦、壁掛電視以及軍事領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景，因而得到了業(yè)界廣泛的關(guān)注。OLED 發(fā)展至今，已經(jīng)由最初的單色發(fā)展到現(xiàn)在的全彩，與此同時對驅(qū)動電路也提出了更高的要求，由最初的無灰階單色靜態(tài)驅(qū)動，到彩色動態(tài)驅(qū)動。

目前，OLED 的研究重點是研制高穩(wěn)定性的器件以達到實用化的要求，但同時研究實現(xiàn)高質(zhì)量動態(tài)顯示的驅(qū)動技術(shù)也很重要，因為只有結(jié)合良好的驅(qū)動技術(shù)，提高反應速度和分辨率，才能表現(xiàn)出OLED 的優(yōu)異特點。然而，單色OLED 顯示就要求驅(qū)動電壓具有較高的控制精度，彩色OLED 顯示如要同時精確地控制RGB 三基色的灰度，實現(xiàn)起來難度更大。為實現(xiàn)真彩色，R、G、B 三基色要各自實現(xiàn)256 級灰階。文中所述電路屬于全彩色動態(tài)驅(qū)動電路，將對其256 級灰度顯示以及外圍驅(qū)動進行研究與設(shè)計，為今后大尺寸OLED 顯示器提供一個可行的技術(shù)方案。

1 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

顯示器性能的好壞，一方面取決于顯示器的制作材料，另一方面取決于顯示器的驅(qū)動電路系統(tǒng)。驅(qū)動電路系統(tǒng)是保證顯示器正常工作必不可少的部分，對顯示性能起著舉足輕重的作用，驅(qū)動電路系統(tǒng)的不同會導致顯示器顯示色彩、亮度以及顯示的灰度、響應時間、功耗等顯示器參數(shù)。而OLED 顯示屏需要專用的控制驅(qū)動芯片，只有OLED 屏與驅(qū)動控制芯片的成功結(jié)合，才能推動OLED 的發(fā)展從而取代LCD.然而，目前國內(nèi)外對OLED 研究的熱點主要在器件與材料上，關(guān)于驅(qū)動電路和灰度控制方面的研究相對較少，現(xiàn)有的OLED 驅(qū)動電路集成度低，針對OLED 特性的掃描效率優(yōu)化度也不高。因此，設(shè)計高性能的OLED 驅(qū)動電路，成為顯示領(lǐng)域一個亟待解決的問題。文中在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，自行設(shè)計了分辨率為480 × 640 彩色OLED 屏外圍驅(qū)動電路，并對256 級灰度實現(xiàn)方法進行了優(yōu)化，使其與OLED 完美結(jié)合，從而進一步推動OLED 向前發(fā)展。

1. 1 OLED 像素單元電路

對于OLED 驅(qū)動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)據(jù)的寫入和掃描控制，圖1 是單個像素的雙管驅(qū)動電路。一個TFT 用來尋址，另一個是電流調(diào)制晶體管，用來為OLED 提供電流。為防止OLED 開啟電壓的變化導致電流變化，使用的是P 溝器件，這樣，OLED處于驅(qū)動TFT 的漏端，源電壓與有機層上的電壓無關(guān)。

圖1 OLED 雙管驅(qū)動電路

Data Line 與尋址TFT 的源級相連，Scan Line 使地址TFT 選通，數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容通過漏電流寫入到存儲電容CS上，并以電荷的形式暫存。

當Power Line 為高電平時，驅(qū)動TFT 的源級為高電平，同時CS上的電荷，將選通驅(qū)動TFT,其漏電流流過OLED 顯示器件，驅(qū)動其發(fā)光。數(shù)據(jù)線電平的高低決定了像素的亮暗。

1. 2 256 級灰度顯示

所謂圖像的灰度等級就是指圖像亮度深淺的層次，將基色的發(fā)光亮度按強度大小劃分，就是灰度級。

顯示屏能產(chǎn)生的灰度級越高，顯示的顏色和圖像層次就越多。而且人的視覺系統(tǒng)對亮度強弱的感受不僅與亮度本身的強弱相關(guān)，還與發(fā)光時間和點亮面積有關(guān)，在一定時間范圍內(nèi)，點亮時問越長、面積越大，人眼感覺的發(fā)光強度就越強。因而利用人眼對快速的亮暗閃爍并不敏感的"暫留"效應，變換發(fā)光體的點亮時間和面積來區(qū)分亮度，就會形成一種不同灰度級畫面的視覺，一般灰度級越高，所顯示的顏色和圖像層次就越多，圖像越柔和，圖像層次越逼真。高灰度級以及有效的灰度調(diào)制方式對高清晰度顯示的發(fā)展極其重要，目前OLED 顯示驅(qū)動一個亟需解決的是灰度的精確性問題。

OLED 顯示屏是可以用傳統(tǒng)的模擬電壓控制法來實現(xiàn)灰度，問題在于： 亮度和數(shù)據(jù)電壓之間呈非線性關(guān)系，缺少一個漸變的易于控制的線性區(qū)間，因此，采用模擬電壓法調(diào)節(jié)發(fā)光強度，難以精確、有效地實現(xiàn)OLED 的灰度級顯示，現(xiàn)在總的趨勢是使用數(shù)字驅(qū)動電路。

圖2 分時顯示示意圖。

數(shù)字驅(qū)動電路的困難在于工作頻率比模擬驅(qū)動電路高得多，現(xiàn)階段較為實用的灰度調(diào)制方法主要有兩種。一種是脈寬調(diào)制法，即對驅(qū)動脈沖實現(xiàn)占空比的控制; 另一種方法是子場控制法，這種方法將發(fā)光時間按1∶ 2∶ 4∶ 8∶ …劃分為若干個子場，不同的子場導通組合，就能實現(xiàn)不同的灰度等級。但采用脈寬調(diào)制法，其時序復雜，要求顯示屏有較高響應速度; 而采用子場法要求驅(qū)動頻率較高，對高灰度級的實現(xiàn)難度大。

考慮到幀頻與OLED 屏體顯示效率的折中，使驅(qū)動電路工作頻率在一個合理水平，在脈寬調(diào)制和子場原理的基礎(chǔ)上，對這兩種方法進行優(yōu)化，256 級灰度采用通過對圖像數(shù)據(jù)按位分時顯示的方法實現(xiàn)，即對輸入的8 bit 像素信號RGB,通過給每種顏色字節(jié)的不同位分配不同的顯示時間達到灰度顯示的目的，使每位的顯示時間為128∶ 64∶ 32∶ 16∶ 8∶ 4∶ 2∶ 1,利用其組合可以得到256 級灰度顯示所對應的子像素發(fā)光時間，實現(xiàn)視覺上的256 級灰度即1 667 萬色顯示，以實現(xiàn)高質(zhì)量的顯示畫面。

為實現(xiàn)256 級灰度，將一個像素點的掃描時間分成19 個單位時間t,8 bit 灰度數(shù)據(jù)q[7: 0]從高位到低位所占的時間分別為8t,4t,2 t,t,t,t,t,t.為使不同位顯示時間成一定比例，從q[3]開始引入t /2 的消影時間，q[2]引入t /4 的消影時間，d[1]引入t /8 的消影時間，d[0]引入t /16 的消影時間，如圖2 所示，由控制電路產(chǎn)生消隱信號進行消隱。由此計算OLED 屏亮度百分比λ = ( 8 + 4 + 2 + l + 1 /2 + 1 /4 + 1 /8 + 1 /16 ) /19 = 83. 9%.

1. 3 FPGA 控制器

利用FPGA 的處理速度和數(shù)據(jù)寬度高的優(yōu)勢以及芯片中可利用的豐富資源，為分辨率為480 × RGB ×640 的OLED 顯示屏設(shè)計了外圍驅(qū)動控制電路。其主要作用是向OLED 顯示屏提供掃描控制信號及進行OLED 顯示數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理。

根據(jù)OLED 顯示屏周邊接口的結(jié)構(gòu)和特性，利用FPGA 芯片為其設(shè)計外圍的驅(qū)動控制系統(tǒng)，為OLED 屏提供控制信號以及傳輸所要顯示的數(shù)據(jù)信號。

如圖3 所示，經(jīng)解碼后的圖像數(shù)據(jù)存入FIFO( First In First Out) 緩存中，在主時鐘的控制下，F(xiàn)IFO中的圖像數(shù)據(jù)將被載入到一個16 × 8 的數(shù)據(jù)裝載寄存器，當這16 個8 位數(shù)據(jù)裝載寄存器裝滿時，將被一個144 位的鎖存器鎖存，等待進入D/A 轉(zhuǎn)換模塊; 同時FPGA 控制器還將在主時鐘的控制下產(chǎn)生行列移位時鐘和行列掃描起始脈沖，產(chǎn)生的時鐘和脈沖進入DC -DC 轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 FPGA 控制器結(jié)構(gòu)框圖。

1. 4 各種控制信號周期及頻率

為使FPGA 控制器能工作于一個合理的驅(qū)動頻率以及提高顯示屏的亮度，在結(jié)構(gòu)上采用標準單元塊的形式。對于分辨率480 × 3 × 640 的顯示屏，以8 × 16個顯示像素燈管構(gòu)成一個單元塊，將480 × 3 行分組組合成為90 個塊( Block) ,即每塊由一組列信號同時驅(qū)動16 行像素。設(shè)計列掃描驅(qū)動電路時，將640 列電極分組組合成為80 個塊( Block) ,每個塊并行驅(qū)動8 列像素。

OLED 顯示屏的刷新頻率是60 Hz /s,即顯示一幀圖像的時間為1 /60 s,設(shè)為T,所以，行掃描起始信號stx 的周期T 為16 667 μs,占空比為1∶ 90; 因為OLED顯示屏480 × 3 行電極分組組合成為90 個Block,所以每一塊的選通時間為T /90,即185. 185 μs.而cpx 和cpbx 是一對反相不交疊的脈沖信號，占空比為50%,在脈沖信號的高電平和低電平時，都有一個Block 行像素被選通，即在cpx 和cpbx 一個周期內(nèi)有兩個Block 行像素被選通，所以行掃描驅(qū)動脈沖cpx 和cpbx的周期為T /45,即370. 370 μs.

同理，OLED 顯示屏的列被分為80 個Block,每個列Block 的選通時間為2. 315 μs,列掃描起始信號sty的周期為185. 185 μs,占空比為1 ∶ 80.列驅(qū)動脈沖cpy 和cpby 亦是一對反相不交疊的脈沖信號，占空比為50%,在脈沖信號的高電平和低電平時，都有一個Block 被選通。由于每個列Block 的選通時間為2. 315 μs,所以列掃描驅(qū)動脈沖cpy 和cpby 的周期為4. 630 μs.

在每個列Block 選通期間，從FIFO 中并行讀出的8 個8 bit 數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)鎖存器鎖存。在每個BLOCK選通期間都將進行一次數(shù)據(jù)的鎖存，所以數(shù)據(jù)鎖存信號Lock 的周期為2. 315 μs.因為當16 個8 位的數(shù)據(jù)裝載寄存器都載滿數(shù)據(jù)的時候才進行這144 個數(shù)據(jù)的鎖存，所以16 位移位寄存器時鐘clk _reg 的周期為0. 145 μs.從FIFO 中讀出數(shù)據(jù)的速度必須和向數(shù)據(jù)裝載寄存器中裝載數(shù)據(jù)的速度一致，則FIFO 的讀時鐘clk _ fifo 的周期也為0. 145 μs.對0. 15 μs( 6. 896 MHz) 進行近似為7 MHz,所以令系統(tǒng)的基本時鐘為14 MHz,由FPGA 外部晶振產(chǎn)生。讀時鐘為基本時鐘的二分頻。

1. 5 FPGA 工作流程

FPGA 處理器是設(shè)計的核心部分，其工作流程為，在每個clk_fifo 時鐘周期下，從8 個FIFO 緩存中并行讀出8 個8 bit 像素數(shù)據(jù)，在時鐘clk_reg 上升沿到來時， 16 位移位寄存器發(fā)生移位，它的輸出端接16 個8位數(shù)據(jù)裝載寄存器的片選端，這樣16 個8 位數(shù)據(jù)裝載寄存器逐個被選通，此時這些數(shù)據(jù)就可以載入到16 個8 位數(shù)據(jù)裝載寄存器中，這16 個8 位寄存器的輸出端接在144 位鎖存器的輸入端上。16 個時鐘clk_reg 上升沿過后， 16 個8 位數(shù)據(jù)裝載寄存器都將依次被裝載滿，此時數(shù)據(jù)鎖存信號Lock 到達，將144 個數(shù)據(jù)鎖存到144 位數(shù)據(jù)鎖存器中，然后這些數(shù)據(jù)進入到DA 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成16 路模擬量，送至OLED 顯示屏，完成一個Block 數(shù)據(jù)的載入。

在列掃描驅(qū)動脈沖cpy 和cpby 的控制下，80 個Block 依次被選通，在每一Block 被選通期間，都將進行一次144 個數(shù)據(jù)的移位寄存和鎖存，當80 個Block都鎖存完之后，一行數(shù)據(jù)的載入也就完成了。當?shù)谝恍械?0 個Block 數(shù)據(jù)顯示完畢后，列掃描起始信號sty過來，又開始從第一列掃描，與此同時，在行掃描驅(qū)動脈沖cpx 和cpbx 的作用下，第二行像素被選通，所以，這時將進行第二行的1 到80 個Block 的數(shù)據(jù)載入，以此類推，直到90 行數(shù)據(jù)都顯示完畢之后，行掃描起始信號stx 到來，重新選通第一行，循環(huán)往復，一幀幀地顯示數(shù)據(jù)。

2 仿真結(jié)果

選用Altera 公司Cyclone Ⅲ 系列芯片EP3C10E144C8 為目標芯片，采用Verilog HDL 語言進行設(shè)計，在GX - SOPC - EDA - EP3C10 - STARTER -EDK 開發(fā)板上進行Modelsim 仿真，仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 外圍驅(qū)動時序仿真結(jié)果

圖5 256灰度產(chǎn)生模擬仿真

由圖4 仿真結(jié)果可以看出，80 組列掃描脈沖cpy和cpby 控制80 個Block, 80 個列掃描脈沖完畢后，列掃描起始信號sty 脈沖開始，繼續(xù)掃描下一行。90 行掃描完畢后， stx 到來重新選通第一行，依此循環(huán)，符合設(shè)計的要求。

由圖5 仿真結(jié)果可以看出，對于輸入的8 bit 像素數(shù)據(jù)，經(jīng)灰度產(chǎn)生模塊轉(zhuǎn)化為灰度數(shù)據(jù)。以第一個輸入數(shù)據(jù)8 hff 為例，每位的顯示時間為128∶ 64∶ 32∶ 16∶ 8∶ 4∶2∶ 1,由其不同組合，從而實現(xiàn)了256 級灰度的功能。

3 結(jié)束語

基于FPGA 芯片設(shè)計了分辨率為480 × RGB × 640的真彩色OLED 顯示屏的驅(qū)動電路，在傳統(tǒng)的子場原理和脈寬調(diào)制占空比實現(xiàn)灰度的基礎(chǔ)上，對其進行優(yōu)化，采用R、G、B 單基色像素分時顯示的方法，實現(xiàn)了256 級灰度功能。經(jīng)仿真和軟硬件協(xié)同仿真驗證，實現(xiàn)了設(shè)計所要求滿足的功能。其256 級灰度實現(xiàn)方法簡單靈活，降低了對FPGA 驅(qū)動頻率的要求，對于在高刷率、高分辨率、高灰階顯示器件上的應用，具有很高的實用價值。利用該電路系統(tǒng)可以實現(xiàn)OLED 顯示的全彩色實時動態(tài)圖像的傳輸，為今后OLED 作為大尺寸顯示器提供了技術(shù)支持。