《電子技術(shù)應(yīng)用》
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機載彩色OLED顯示模組的電路設(shè)計
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
陳文明
1.中航華東光電有限公司,,安徽 蕪湖241002;2.特種顯示技術(shù)國家工程實驗室,,安徽 蕪湖241002
摘要: OLED顯示器件具有自發(fā)光、響應(yīng)時間短,、功耗低,、色域廣,、工作溫度范圍寬、抗震性好以及輕薄的特點,,已經(jīng)在中小尺寸顯示領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展,。研究了機載彩色OLED顯示模組的電路設(shè)計,以一款7.7英寸的彩色OLED顯示器為顯示介質(zhì),,采用FPGA為主控芯片,,實現(xiàn)了視頻顯示,、亮度調(diào)節(jié)、夜視兼容等功能,。
關(guān)鍵詞: OLED 顯示模組 FPGA
中圖分類號: TN873
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182998
中文引用格式: 陳文明. 機載彩色OLED顯示模組的電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(5):111-114.
英文引用格式: Chen Wenming. The circuit design of airborne color OLED display module[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(5):111-114.
The circuit design of airborne color OLED display module
Chen Wenming1,2
1.AVIC Huadong Photoelectric Co.,,Ltd.,,Wuhu 241002,China,; 2.National Engineering Lab of Special Display Technology,,Wuhu 241002,China
Abstract: OLED display device has the characteristics of spontaneous light, short response time, low power consumption, wide color gamut, wide operating temperature range, good seismic resistance and thinness, and has been developed rapidly in the field of small and medium size display.In this paper, the circuit design of the airborne color OLED display module is studied, with a 7.7-inch color OLED display as the display medium and FPGA as the main control chip, which realizes the functions of video display, brightness adjustment and night vision compatibility.
Key words : OLED,;display module,;FPGA

0 引言

    機載顯示模組為飛行員提供由字符、圖形和圖像組成的各種飛行信號和作戰(zhàn)指令,,具有重要的作用,。機載顯示模組向全彩色、高清晰度,、高分辨率,、廣色域、低功耗的方向發(fā)展,。這促進(jìn)了機載顯示模組的顯示介質(zhì)的更新?lián)Q代,。目前,LCD在機載顯示中處于主流地位,,已逐漸淘汰了早期的CRT。但液晶也有其缺點,,如:響應(yīng)時間長,、低溫性能差,、功耗高等,。隨著OLED技術(shù)的發(fā)展,,其性能上的優(yōu)勢越趨明顯,已具備一定的應(yīng)用于機載顯示的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文以SUMSUNG公司生產(chǎn)的7.7英寸彩色OLED顯示屏為顯示介質(zhì),,進(jìn)行機載顯示模塊的電路設(shè)計,。此屏分辨率為1 280×800,,顏色深度為RGB各8 bit,,采用MIPI-DSI(4lane)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸和屏內(nèi)部寄存器數(shù)值的傳送,。

1 顯示模塊功能要求

    表1為顯示模塊的主要性能指標(biāo),由于對顯示介質(zhì)以及顯示分辨率的要求,,經(jīng)過篩選最終選擇了SUMSUNG公司的7.7英寸彩色OLED作為顯示介質(zhì),并通過特定的加固處理,,使其滿足機載環(huán)境的使用要求。由于OLED是電流型自發(fā)光器件,,在需要顯示的像素才會有電流通過而發(fā)光,,對于不顯示的區(qū)域,像素沒有電流通過,,不發(fā)光,,所以在黑環(huán)境下,,OLED的對比度能達(dá)到100 000:1,,對于招標(biāo)要求的1 000:1的對比度要求在滿足的范圍之內(nèi)。在驗證階段對此款OLED的亮度進(jìn)行了測試,,其最大亮度能夠達(dá)到650 cd/m2,,滿足亮度調(diào)節(jié)的要求。對于視頻接口、通信方式,、電源要求,,通過分析以及驗證都能夠?qū)崿F(xiàn)。

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2 電路整體設(shè)計

    根據(jù)顯示模塊的功能要求,,對相關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計,,電路的總體功能框圖如圖1所示。主要由以下電路組成:DVI信號解碼電路,,完成串行差分DVI信號向并行LVTTL信號的轉(zhuǎn)化,以便后續(xù)FPGA的處理,;RS232接口電路,實現(xiàn)FPGA和上位機的通信,;FPGA是電路中的核心器件,,實現(xiàn)各功能電路和OLED屏的配置和控制,、視頻信號采集處理,、調(diào)光算法的實現(xiàn),、通信功能的實現(xiàn),、OSD功能等,;MIPI編碼電路將FPGA輸出的視頻信號轉(zhuǎn)化為MIPI信號, 進(jìn)行OLED屏的顯示和參數(shù)的配置,;OLED亮度調(diào)節(jié)電路,,配合FPGA的調(diào)光算法,,控制輸出的負(fù)電壓Vneg的值,,來實現(xiàn)晝夜模式下亮度的調(diào)節(jié);EEPROM芯片用于存儲相關(guān)的參數(shù),,如晝夜模式下亮度的最大值和最小值,、默認(rèn)亮度值等,;電源轉(zhuǎn)化電路通過電壓芯片生成需要的電壓值,給各功能電路和OLED屏穩(wěn)定的供電電源,。

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3 主要功能電路實現(xiàn)

3.1 DVI解碼電路設(shè)計

    DVI信號具有帶寬高、抗干擾能力強,、傳輸距離遠(yuǎn)的特點,,已經(jīng)成為了一種高分辨率視頻傳輸?shù)闹髁鞣桨?。由于DVI采用的是串行傳輸方式,,并采用8/10編碼,,因此在接收端要進(jìn)行視頻解碼,將串行信號轉(zhuǎn)化為后端易于處理的并行TTL信號,,主要包括數(shù)字RGB信號,、行同步信號(HSYNC)、場同步信號(VSYNC)和像素時鐘信號(PCLK),。

    本文采用的是Silicon Image的型號為SIL1161的DVI解碼芯片,,它最大能夠支持UXGA分辨率、像素時鐘為165 MHz的視頻信號的解碼,,并且為了擴展芯片的應(yīng)用環(huán)境,,其內(nèi)部的寄存器可以通過IIC接口進(jìn)行配置以調(diào)整時鐘的相位及信號的驅(qū)動能力。并且能夠通過調(diào)節(jié)均衡器的數(shù)值,,來實現(xiàn)DVI傳輸長度的匹配,,以提升其抗干擾能力,經(jīng)過設(shè)置,,最大能夠支持20 m信號的傳輸,。

    為了靈活地對芯片進(jìn)行控制,,將SIL1161的控制接口和PFGA相連,通過FPGA對芯片進(jìn)行配置,,以使其工作在最佳狀態(tài),。SIL1161的內(nèi)部寄存器的信息如表2所示。通過FPGA將芯片的第99腳(MODE)和低7腳(I2C_MODE#)拉低,,使芯片進(jìn)入IIC配置模式,。然后通過第100腳(SCL)和第3腳(SDA)進(jìn)行參數(shù)配置。

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3.2 亮度調(diào)節(jié)電路設(shè)計

    由于OLED為自發(fā)光器件,,且其發(fā)光亮度與流過其中的電流呈線性比例關(guān)系,,也即電流越大,亮度越高,。為了顯示亮度的調(diào)節(jié),,就要對OLED的電流進(jìn)行控制。由于OLED的像素驅(qū)動電路的特點,,能夠影響OLED電流的因素主要有加在驅(qū)動管G極的灰度電壓和D極,、S極之間的電壓。如果通過改變灰度電壓的方式調(diào)節(jié)電流改變亮度,,會影響到OLED顯示圖像的灰階層次,,所以,為了不影響OLED顯示灰階,,同時實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)功能,,本文采用的是調(diào)節(jié)DS之間的電壓的方式。具體的實現(xiàn)為,,通過固定D極的正電壓,,調(diào)節(jié)S端的負(fù)電壓Vneg的大小來調(diào)節(jié)亮度。

    由于亮度調(diào)節(jié)需要的電壓范圍為:-3.3 V~-6.4 V,,而系統(tǒng)的供電電壓為+5 V,,因此選用的電壓芯片為LT3759HMSE。其輸入電壓范圍為+1.6 V~+42 V,,具有Boost/SEPIC/Inverting電壓轉(zhuǎn)化功能,。為了實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)節(jié)的功能,采用具有IIC接口的數(shù)字電位器AD5252BRU1來改變反饋電阻的阻值,,以實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié),。具體的電路原理如圖2所示。

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3.3 MIPI接口電路

    從2003年MIPI聯(lián)盟正式推出MIPI協(xié)議以來,,由于MIPI協(xié)議的巨大優(yōu)勢,,已經(jīng)在移動產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用,在處理器,、大容量數(shù)據(jù)傳輸,、無線通信,、顯示屏等產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。本項目選用的OLED顯示屏就是MIPI接口,。由于MIPI接口具有特定的協(xié)議和編碼方式,,需要采用接口芯片將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化為MIPI協(xié)議信號,。本項目采用的是晶門科技的SSD2828系列接口芯片,。

    通過SPI接口控制SSD2828的工作模式,可以配置其進(jìn)入命令模式(command mode)或者視頻模式(video mode),。在命令模式下,,通過MIPI接口對OLED屏內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置,實現(xiàn)對上電時序的控制,、掃描方向,、gamma曲線等功能的配置;配置完成后進(jìn)入視頻模式,,此時主要用于視頻圖像的傳輸,。在視頻傳輸模式下,也可以發(fā)送OLED寄存器控制命令,,在SSD2828的控制下,,在視頻的消隱區(qū)將命令進(jìn)行傳輸,從而對顯示畫面不造成任何的影響,。SSD2828的控制部分由FPGA完成,,具體的控制過程在FPGA邏輯部分詳細(xì)介紹。

3.4 FPGA邏輯設(shè)計

    FPGA是整個電路的控制核心,,主要完成對外界的通信,、視頻圖像的采集和處理、亮度調(diào)節(jié)的實現(xiàn),、對OLED的控制等功能,。主要的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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    在這里,,主要介紹亮度調(diào)節(jié)模塊的實現(xiàn)以及MIPI接口和OLED控制模塊的實現(xiàn),。

3.4.1 亮度調(diào)節(jié)模塊

為了滿足機載環(huán)境下的使用要求,顯示模塊的亮度調(diào)節(jié)范圍被分為晝模式區(qū)域和夜模區(qū)域兩個部分,。并且兩部分需要對應(yīng)到一定的調(diào)光曲線,,也即根據(jù)不同的輸入調(diào)光命令,產(chǎn)生相應(yīng)的亮度值,。所以,,首先通過實驗的方式,得到輸入的電壓Vneg和亮度之間的關(guān)系,,然后通過映射的方式,,根據(jù)輸入的調(diào)光命令,,控制輸出電壓的電壓值。這個映射過程在FPGA內(nèi)部完成,,然后根據(jù)映射結(jié)果,,通過IIC接口控制亮度調(diào)節(jié)電路的反饋電阻,以達(dá)到控制輸出電壓的目的,。

    通過對測試數(shù)據(jù)的分析,,根據(jù)要求的調(diào)光曲線制作對應(yīng)的LUT,使得輸入0~255級調(diào)光級數(shù)都對應(yīng)不同的數(shù)字電位器數(shù)值,。采用LUT的方式能夠?qū)?fù)雜的轉(zhuǎn)化算法變?yōu)楹唵蔚牟檎冶?,實現(xiàn)方式簡單,延遲小,。為了適應(yīng)每塊屏之間的差異,,設(shè)置了可調(diào)節(jié)的最小值、最大值以及比例系數(shù)寄存器作為偏移量調(diào)節(jié),,使得每一塊屏的亮度都在要求的范圍之內(nèi),。公式表示為:

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    其中Dreg( )為輸出的用于設(shè)置數(shù)字電位器的數(shù)值;Dmin為最小值,;Dmax為最大值,;K為比例系數(shù);DLUT( )為查找表數(shù)據(jù),,根據(jù)晝夜模式的不同,,分為兩個LUT;Lcom為調(diào)光級數(shù),,共256級,。

    以上的寄存器都可以通過界面設(shè)置,使亮度值達(dá)到要求的范圍,。所有最終設(shè)置的寄存器值都被存儲到外部的EEPROM中,,在FPGA上電的時候被讀出。

3.4.2 MIPI和OLED控制模塊

    此模塊主要通過SPI接口對SSD2828進(jìn)行配置,,以實現(xiàn)對OLED的控制和視頻的顯示功能,。此模塊可以分為兩層:底層的SPI模塊以及上層的控制模塊。模塊如圖4所示,。其中SPI 模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的SPI傳輸,,上層模塊是一個狀態(tài)機,控制需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及其順序,。

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    通過控制SSD2828的內(nèi)部寄存器實現(xiàn)對芯片的配置,,使其進(jìn)入需要的工作模式。通過向寄存器Generic Packet Drop Register 發(fā)送地址和數(shù)據(jù),,可以實現(xiàn)對OLED屏內(nèi)的寄存器的配置,。其在SSD2828芯片中的地址為0xBF,。MIPI發(fā)送數(shù)據(jù)控制模塊的實現(xiàn),采用狀態(tài)機的方式,。整個模塊的狀態(tài)流轉(zhuǎn)如圖5所示,。

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4 顯示模塊測試結(jié)果

    根據(jù)以上電路設(shè)計,完成電路板調(diào)試和FPGA代碼調(diào)試,,實現(xiàn)了OLED的正常顯示,。制作成OLED顯示模塊的實物如圖6所示。

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    為了驗證模組的功能和性能,,搭建實驗測試平臺,。平臺由信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源,、測試臺FPM520等構(gòu)成。主要測試數(shù)據(jù)如表3所示,。

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    從表3的測試數(shù)據(jù)可以知,,彩色OLED模組的各項性能參數(shù)和協(xié)議要求的參數(shù)相匹配,滿足要求,。而且在重量,、對比度、功耗等指標(biāo)上,,OLED顯示模組比同尺寸的LCD顯示模組要優(yōu)越很多,,也極大地突出了OLED的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

    本文根據(jù)彩色OLED模組的功能要求,,設(shè)計了此模組的驅(qū)動電路,。詳細(xì)介紹了電路的整體設(shè)計方案以及各個具體電路的實現(xiàn)方式,并且對FPGA內(nèi)部的主要功能模塊——亮度控制模塊和MIPI控制模塊的顯示方式進(jìn)行了具體的介紹,。最后,,對整個OLED顯示模組的性能進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明各項性能均滿足協(xié)議要求,。并且其在重量,、對比度、功耗指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢,,滿足了機載顯示模組向輕型化,、低功耗、高顯示質(zhì)量的發(fā)展要求,。本文設(shè)計為彩色OLED在機載顯示器的應(yīng)用起到了一定的佐證作用,。

參考文獻(xiàn)

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[4] 熊文彬.基于FPGA的OLED顯示系統(tǒng)[D]. 成都:電子科技大學(xué),,2011.



作者信息:

陳文明1,,2

(1.中航華東光電有限公司,安徽 蕪湖241002,;2.特種顯示技術(shù)國家工程實驗室,,安徽 蕪湖241002)

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