基于FPGA的OLED真彩色顯示設計方案

　　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域都具有廣闊的應用前景，因而得到了業(yè)界廣泛的關注。OLED 發(fā)展至今，已經由最初的單色發(fā)展到現(xiàn)在的全彩，與此同時對驅動電路也提出了更高的要求，由最初的無灰階單色靜態(tài)驅動，到彩色動態(tài)驅動。

　　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)高質量動態(tài)顯示的驅動技術也很重要，因為只有結合良好的驅動技術，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)驅動電路，將對其256 級灰度顯示以及外圍驅動進行研究與設計，為今后大尺寸OLED 顯示器提供一個可行的技術方案。

　　1 驅動控制系統(tǒng)設計

　　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動電路系統(tǒng)。驅動電路系統(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動芯片，只有OLED 屏與驅動控制芯片的成功結合，才能推動OLED 的發(fā)展從而取代LCD.然而，目前國內外對OLED 研究的熱點主要在器件與材料上，關于驅動電路和灰度控制方面的研究相對較少，現(xiàn)有的OLED 驅動電路集成度低，針對OLED 特性的掃描效率優(yōu)化度也不高。因此，設計高性能的OLED 驅動電路，成為顯示領域一個亟待解決的問題。文中在現(xiàn)有的研究基礎上，自行設計了分辨率為480 × 640 彩色OLED 屏外圍驅動電路，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 驅動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，關鍵技術在于數(shù)據(jù)的寫入和掃描控制，圖1 是單個像素的雙管驅動電路。一個TFT 用來尋址，另一個是電流調制晶體管，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處于驅動TFT 的漏端，源電壓與有機層上的電壓無關。

圖1 OLED 雙管驅動電路

　　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，驅動TFT 的源級為高電平，同時CS上的電荷，將選通驅動TFT,其漏電流流過OLED 顯示器件，驅動其發(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，還與發(fā)光時間和點亮面積有關，在一定時間范圍內，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制方式對高清晰度顯示的發(fā)展極其重要，目前OLED 顯示驅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)字驅動電路。

圖2 分時顯示示意圖。

　　數(shù)字驅動電路的困難在于工作頻率比模擬驅動電路高得多，現(xiàn)階段較為實用的灰度調制方法主要有兩種。一種是脈寬調制法，即對驅動脈沖實現(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，使驅動電路工作頻率在一個合理水平，在脈寬調制和子場原理的基礎上，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 顯示屏設計了外圍驅動控制電路。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構和特性，利用FPGA 芯片為其設計外圍的驅動控制系統(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 轉換模塊； 同時FPGA 控制器還將在主時鐘的控制下產生行列移位時鐘和行列掃描起始脈沖，產生的時鐘和脈沖進入DC -DC 轉換模塊。

圖3 FPGA 控制器結構框圖。

　　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動頻率以及提高顯示屏的亮度，在結構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動16 行像素。設計列掃描驅動電路時，將640 列電極分組組合成為80 個塊（