《電子技術應用》
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機載彩色OLED顯示模組的電路設計
2019年電子技術應用第5期
陳文明
1.中航華東光電有限公司,安徽 蕪湖241002;2.特種顯示技術國家工程實驗室,安徽 蕪湖241002
摘要: OLED顯示器件具有自發光、響應時間短、功耗低、色域廣、工作溫度范圍寬、抗震性好以及輕薄的特點,已經在中小尺寸顯示領域得到了快速的發展。研究了機載彩色OLED顯示模組的電路設計,以一款7.7英寸的彩色OLED顯示器為顯示介質,采用FPGA為主控芯片,實現了視頻顯示、亮度調節、夜視兼容等功能。
關鍵詞: OLED 顯示模組 FPGA
中圖分類號: TN873
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182998
中文引用格式: 陳文明. 機載彩色OLED顯示模組的電路設計[J].電子技術應用,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指令,具有重要的作用?;叵允灸W橄蛉噬?、高清晰度、高分辨率、廣色域、低功耗的方向發展。這促進了機載顯示模組的顯示介質的更新換代。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:響應時間長、低溫性能差、功耗高等。隨著OLED技術的發展,其性能上的優勢越趨明顯,已具備一定的應用于機載顯示的技術基礎。

本文以SUMSUNG公司生產的7.7英寸彩色OLED顯示屏為顯示介質,進行機載顯示??櫚牡緶飛杓?。此屏分辨率為1 280×800,顏色深度為RGB各8 bit,采用MIPI-DSI(4lane)進行視頻數據傳輸和屏內部寄存器數值的傳送。

1 顯示??楣δ芤?/strong>

    表1為顯示??櫚鬧饕閱苤副?,由于對顯示介質以及顯示分辨率的要求,經過篩選最終選擇了SUMSUNG公司的7.7英寸彩色OLED作為顯示介質,并通過特定的加固處理,使其滿足機載環境的使用要求。由于OLED是電流型自發光器件,在需要顯示的像素才會有電流通過而發光,對于不顯示的區域,像素沒有電流通過,不發光,所以在黑環境下,OLED的對比度能達到100 000:1,對于招標要求的1 000:1的對比度要求在滿足的范圍之內。在驗證階段對此款OLED的亮度進行了測試,其最大亮度能夠達到650 cd/m2,滿足亮度調節的要求。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實現。

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2 電路整體設計

    根據顯示??櫚墓δ芤?,對相關電路進行設計,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信號的轉化,以便后續FPGA的處理;RS232接口電路,實現FPGA和上位機的通信;FPGA是電路中的核心器件,實現各功能電路和OLED屏的配置和控制、視頻信號采集處理、調光算法的實現、通信功能的實現、OSD功能等;MIPI編碼電路將FPGA輸出的視頻信號轉化為MIPI信號, 進行OLED屏的顯示和參數的配置;OLED亮度調節電路,配合FPGA的調光算法,控制輸出的負電壓Vneg的值,來實現晝夜模式下亮度的調節;EEPROM芯片用于存儲相關的參數,如晝夜模式下亮度的最大值和最小值、默認亮度值等;電源轉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屏穩定的供電電源。

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3 主要功能電路實現

3.1 DVI解碼電路設計

    DVI信號具有帶寬高、抗干擾能力強、傳輸距離遠的特點,已經成為了一種高分辨率視頻傳輸的主流方案。由于DVI采用的是串行傳輸方式,并采用8/10編碼,因此在接收端要進行視頻解碼,將串行信號轉化為后端易于處理的并行TTL信號,主要包括數字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用環境,其內部的寄存器可以通過IIC接口進行配置以調整時鐘的相位及信號的驅動能力。并且能夠通過調節均衡器的數值,來實現DVI傳輸長度的匹配,以提升其抗干擾能力,經過設置,最大能夠支持20 m信號的傳輸。

    為了靈活地對芯片進行控制,將SIL1161的控制接口和PFGA相連,通過FPGA對芯片進行配置,以使其工作在最佳狀態。SIL1161的內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,使芯片進入IIC配置模式。然后通過第100腳(SCL)和第3腳(SDA)進行參數配置。

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3.2 亮度調節電路設計

    由于OLED為自發光器件,且其發光亮度與流過其中的電流呈線性比例關系,也即電流越大,亮度越高。為了顯示亮度的調節,就要對OLED的電流進行控制。由于OLED的像素驅動電路的特點,能夠影響OLED電流的因素主要有加在驅動管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節電流改變亮度,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,同時實現亮度調節功能,本文采用的是調節DS之間的電壓的方式。具體的實現為,通過固定D極的正電壓,調節S端的負電壓Vneg的大小來調節亮度。

    由于亮度調節需要的電壓范圍為:-3.3 V~-6.4 V,而系統的供電電壓為+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電壓轉化功能。為了實現輸出電壓可調節的功能,采用具有IIC接口的數字電位器AD5252BRU1來改變反饋電阻的阻值,以實現電壓的調節。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聯盟正式推出MIPI協議以來,由于MIPI協議的巨大優勢,已經在移動產業中得到了廣泛的推廣和應用,在處理器、大容量數據傳輸、無線通信、顯示屏等產業中得到廣泛的應用。本項目選用的OLED顯示屏就是MIPI接口。由于MIPI接口具有特定的協議和編碼方式,需要采用接口芯片將數字視頻信號轉化為MIPI協議信號。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屏內部寄存器進行配置,實現對上電時序的控制、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,也可以發送OLED寄存器控制命令,在SSD2828的控制下,在視頻的消隱區將命令進行傳輸,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邏輯部分詳細介紹。

3.4 FPGA邏輯設計

    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、亮度調節的實現、對OLED的控制等功能。主要的內部邏輯結構如圖3所示。

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    在這里,主要介紹亮度調節??櫚氖迪忠約癕IPI接口和OLED控制??櫚氖迪?。

3.4.1 亮度調節???/p>

為了滿足機載環境下的使用要求,顯示??櫚牧煉鵲鶻詵段П環治縋J角蠔鴕鼓G蛄礁霾糠?。并且兩部分需要對應到一定的調光曲線,也即根據不同的輸入調光命令,產生相應的亮度值。所以,首先通過實驗的方式,得到輸入的電壓Vneg和亮度之間的關系,然后通過映射的方式,根據輸入的調光命令,控制輸出電壓的電壓值。這個映射過程在FPGA內部完成,然后根據映射結果,通過IIC接口控制亮度調節電路的反饋電阻,以達到控制輸出電壓的目的。

    通過對測試數據的分析,根據要求的調光曲線制作對應的LUT,使得輸入0~255級調光級數都對應不同的數字電位器數值。采用LUT的方式能夠將復雜的轉化算法變為簡單的查找表,實現方式簡單,延遲小。為了適應每塊屏之間的差異,設置了可調節的最小值、最大值以及比例系數寄存器作為偏移量調節,使得每一塊屏的亮度都在要求的范圍之內。公式表示為:

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

    以上的寄存器都可以通過界面設置,使亮度值達到要求的范圍。所有最終設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???/strong>

    此??櫓饕ü齋PI接口對SSD2828進行配置,以實現對OLED的控制和視頻的顯示功能。此??榭梢苑治講悖旱撞愕腟PI??橐約吧喜愕目刂頗??。??槿繽?所示。其中SPI ??槭迪質蕕腟PI傳輸,上層??槭且桓鱟刺?,控制需要傳輸的數據以及其順序。

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    通過控制SSD2828的內部寄存器實現對芯片的配置,使其進入需要的工作模式。通過向寄存器Generic Packet Drop Register 發送地址和數據,可以實現對OLED屏內的寄存器的配置。其在SSD2828芯片中的地址為0xBF。MIPI發送數據控制??櫚氖迪?,采用狀態機的方式。整個??櫚淖刺髯繽?所示。

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4 顯示??椴饈越峁?/strong>

    根據以上電路設計,完成電路板調試和FPGA代碼調試,實現了OLED的正常顯示。制作成OLED顯示??櫚氖滴鍶繽?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。平臺由信號發生器、穩壓電源、測試臺FPM520等構成。主要測試數據如表3所示。

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    從表3的測試數據可以知,彩色OLED模組的各項性能參數和協議要求的參數相匹配,滿足要求。而且在重量、對比度、功耗等指標上,OLED顯示模組比同尺寸的LCD顯示模組要優越很多,也極大地突出了OLED的優勢。

5 結論

    本文根據彩色OLED模組的功能要求,設計了此模組的驅動電路。詳細介紹了電路的整體設計方案以及各個具體電路的實現方式,并且對FPGA內部的主要功能??欏煉瓤刂頗?楹蚆IPI控制??櫚南允痙絞澆辛司嚀宓慕檣?。最后,對整個OLED顯示模組的性能進行了測試,測試結果表明各項性能均滿足協議要求。并且其在重量、對比度、功耗指標上有明顯的優勢,滿足了機載顯示模組向輕型化、低功耗、高顯示質量的發展要求。本文設計為彩色OLED在機載顯示器的應用起到了一定的佐證作用。

參考文獻

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[3] KAMATH P.MIPI將徹底改變移動產品設計方式[J].集成電路應用,2012(2):1-2.

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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.特種顯示技術國家工程實驗室,安徽 蕪湖241002)