基于FPGA的OLED真彩色显示设计方案
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2020-08-08
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基于基于FPGA的的OLED真彩色显示设计方案真彩色显示设计方案
利用FPGA 控制模块，设计了OLED 真彩色动态图像驱动控制电路。介绍采用FPGA 实现OLED 外围控制电路和256 级灰度的方法，并分析电路中模块的作用及整个电路的工作过
程。
作为第3 代显示器，有机电致发光器件（ OrganicLight EmittingDiode,OLED） 由于其主动发光、响应快、高亮度、全视角、直流低压驱动、全固态以及不易受环境影响等优异特性，具有LCD 无法比拟
的优点，在手机、个人电子助理（ PDA） 、数码相机、车载显示、笔记本电脑、壁挂电视以及军事领域都具有广阔的应用前景，因而得到了业界广泛的关注。OLED 发展至今，已经由最初的单色发展到
现在的全彩，与此同时对驱动电路也提出了更高的要求，由最初的无灰阶单色静态驱动，到彩色动态驱动。
目前，OLED 的研究重点是研制高稳定性的器件以达到实用化的要求，但同时研究实现高质量动态显示的驱动技术也很重要，因为只有结合良好的驱动技术，提高反应速度和分辨率，才能表现出OLED
的优异特点。然而，单色OLED 显示就要求驱动电压具有较高的控制精度，彩色OLED 显示如要同时精确地控制RGB 三基色的灰度，实现起来难度更大。为实现真彩色，R、G、B 三基色要各自实现256
级灰阶。文中所述电路属于全彩色动态驱动电路，将对其256 级灰度显示以及外围驱动进行研究与设计，为今后大尺寸OLED 显示器提供一个可行的技术方案。
1 驱动控制系统设计
显示器性能的好坏，一方面取决于显示器的制作材料，另一方面取决于显示器的驱动电路系统。驱动电路系统是保证显示器正常工作必不可少的部分，对显示性能起着举足轻重的作用，驱动电路系统的
不同会导致显示器显示色彩、亮度以及显示的灰度、响应时间、功耗等显示器参数。而OLED显示屏需要专用的控制驱动芯片，只有OLED 屏与驱动控制芯片的成功结合，才能推动OLED 的发展从而取
代LCD.然而，目前国内外对OLED 研究的热点主要在器件与材料上，关于驱动电路和灰度控制方面的研究相对较少，现有的OLED 驱动电路集成度低，针对OLED 特性的扫描效率优化度也不高。因此，
设计高性能的OLED 驱动电路，成为显示领域一个亟待解决的问题。文中在现有的研究基础上，自行设计了分辨率为480 × 640 彩色OLED 屏外围驱动电路，并对256 级灰度实现方法进行了优化，使其
与OLED 完美结合，从而进一步推动OLED 向前发展。
1. 1 OLED 像素单元电路
对于OLED 驱动控制系统的实现，关键技术在于数据的写入和扫描控制，图1 是单个像素的双管驱动电路。一个TFT 用来寻址，另一个是电流调制晶体管，用来为OLED 提供电流。为防止OLED 开启电
压的变化导致电流变化，使用的是P 沟器件，这样，OLED处于驱动TFT 的漏端，源电压与有机层上的电压无关。
图1 OLED 双管驱动电路
Data Line 与寻址TFT 的源级相连，Scan Line 使地址TFT 选通，数据线上的内容通过漏电流写入到存储电容CS上，并以电荷的形式暂存。
当PowerLine 为高电平时，驱动TFT 的源级为高电平，同时CS上的电荷，将选通驱动TFT,其漏电流流过OLED 显示器件，驱动其发光。数据线电平的高低决定了像素的亮暗。
1. 2 256 级灰度显示
所谓图像的灰度等级就是指图像亮度深浅的层次，将基色的发光亮度按强度大小划分，就是灰度级。
显示屏能产生的灰度级越高，显示的颜色和图像层次就越多。而且人的视觉系统对亮度强弱的感受不仅与亮度本身的强弱相关，还与发光时间和点亮面积有关，在一定时间范围内，点亮时问越长、面积
越大，人眼感觉的发光强度就越强。因而利用人眼对快速的亮暗闪烁并不敏感的"暂留"效应，变换发光体的点亮时间和面积来区分亮度，就会形成一种不同灰度级画面的视觉，一般灰度级越高，所显示
的颜色和图像层次就越多，图像越柔和，图像层次越逼真。高灰度级以及有效的灰度调制方式对高清晰度显示的发展极其重要，目前OLED 显示驱动一个亟需解决的是灰度的精确性问题。
OLED 显示屏是可以用传统的模拟电压控制法来实现灰度，问题在于： 亮度和数据电压之间呈非线性关系，缺少一个渐变的易于控制的线性区间，因此，采用模拟电压法调节发光强度，难以精确、有效
地实现OLED 的灰度级显示，现在总的趋势是使用数字驱动电路。
图2 分时显示示意图。
数字驱动电路的困难在于工作频率比模拟驱动电路高得多，现阶段较为实用的灰度调制方法主要有两种。一种是脉宽调制法，即对驱动脉冲实现占空比的控制； 另一种方法是子场控制法，这种方法将发
光时间按1∶ 2∶ 4∶ 8∶ …划分为若干个子场，不同的子场导通组合，就能实现不同的灰度等级。但采用脉宽调制法，其时序复杂，要求显示屏有较高响应速度； 而采用子场法要求驱动频率较高，对高灰度级
的实现难度大。
考虑到帧频与OLED 屏体显示效率的折中，使驱动电路工作频率在一个合理水平，在脉宽调制和子场原理的基础上，对这两种方法进行优化，256 级灰度采用通过对图像数据按位分时显示的方法实现，
即对输入的8 bit 像素信号RGB,通过给每种颜色字节的不同位分配不同的显示时间达到灰度显示的目的，使每位的显示时间为128∶ 64∶ 32∶ 16∶ 8∶ 4∶ 2∶ 1,利用其组合可以得到256 级灰度显示所对应的子像素
发光时间，实现视觉上的256 级灰度即1 667 万色显示，以实现高质量的显示画面。
为实现256 级灰度，将一个像素点的扫描时间分成19 个单位时间t,8 bit 灰度数据q[7: 0]从高位到低位所占的时间分别为8t,4t,2 t,t,t,t,t,t.为使不同位显示时间成一定比例，从q[3]开始引入t /2 的消影时
间，q[2]引入t /4 的消影时间，d[1]引入t /8 的消影时间，d[0]引入t /16 的消影时间，如图2 所示，由控制电路产生消隐信号进行消隐。由此计算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 的处理速度和数据宽度高的优势以及芯片中可利用的丰富资源，为分辨率为480 × RGB ×640 的OLED 显示屏设计了外围驱动控制电路。其主要作用是向OLED 显示屏提供扫描控制信号及进
行OLED 显示数据的数字信号处理。
根据OLED 显示屏周边接口的结构和特性，利用FPGA 芯片为其设计外围的驱动控制系统，为OLED 屏提供控制信号以及传输所要显示的数据信号。
如图3 所示，经解码后的图像数据存入FIFO（ First In First Out） 缓存中，在主时钟的控制下，FIFO中的图像数据将被载入到一个16 × 8 的数据装载寄存器，当这16 个8 位数据装载寄存器装满时，将被
一个144 位的锁存器锁存，等待进入D/A 转换模块； 同时FPGA 控制器还将在主时钟的控制下产生行列移位时钟和行列扫描起始脉冲，产生的时钟和脉冲进入DC -DC 转换模块。
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