《电子技术应用》
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机载彩色OLED显示模组的电路设计
2019年电子技术应用第5期
陈文明
1.中航华东光电有限公司,安徽 芜湖241002;2.特种显示技术国家工程实验室,安徽 芜湖241002
摘要: OLED显示器件具有自发光、响应时间短、功耗低、色域广、工作温度范围宽、抗震性好以及轻薄的特点,已经在中小尺寸显示领域得到了快速的发展。研究了机载彩色OLED显示模组的电路设计,以一款7.7英寸的彩色OLED显示器为显示介质,采用FPGA为主控芯片,实现了视频显示、亮度调节、夜视兼容等功能。
关键词: OLED 显示模组 FPGA
中图分类号: TN873
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182998
中文引用格式: 陈文明. 机载彩色OLED显示模组的电路设计[J].电子技术应用,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

    机载显示模组为飞行员提供由字符、图形和图像组成的各种飞行信号和作战指令,具有重要的作用。机载显示模组向全彩色、高清晰度、高分辨率、广色域、低功耗的方向发展。这促进了机载显示模组的显示介质的更新换代。目前,LCD在机载显示中处于主流地位,已逐渐淘汰了早期的CRT。但液晶也有其缺点,如:响应时间长、低温性能差、功耗高等。随着OLED技术的发展,其性能上的优势越趋明显,已具备一定的应用于机载显示的技术基础。

本文以SUMSUNG公司生产的7.7英寸彩色OLED显示屏为显示介质,进行机载显示模块的电路设计。此屏分辨率为1 280×800,颜色深度为RGB各8 bit,采用MIPI-DSI(4lane)进行视频数据传输和屏内部寄存器数值的传送。

1 显示模块功能要求

    表1为显示模块的主要性能指标,由于对显示介质以及显示分辨率的要求,经过筛选最终选择了SUMSUNG公司的7.7英寸彩色OLED作为显示介质,并通过特定的加固处理,使其满足机载环境的使用要求。由于OLED是电流型自发光器件,在需要显示的像素才会有电流通过而发光,对于不显示的区域,像素没有电流通过,不发光,所以在黑环境下,OLED的对比度能达到100 000:1,对于招标要求的1 000:1的对比度要求在满足的范围之内。在验证阶段对此款OLED的亮度进行了测试,其最大亮度能够达到650 cd/m2,满足亮度调节的要求。对于视频接口、通信方式、电源要求,通过分析以及验证都能够实现。

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2 电路整体设计

    根据显示模块的功能要求,对相关电路进行设计,电路的总体功能框图如图1所示。主要由以下电路组成:DVI信号解码电路,完成串行差分DVI信号向并行LVTTL信号的转化,以便后续FPGA的处理;RS232接口电路,实现FPGA和上位机的通信;FPGA是电路中的核心器件,实现各功能电路和OLED屏的配置和控制、视频信号采集处理、调光算法的实现、通信功能的实现、OSD功能等;MIPI编码电路将FPGA输出的视频信号转化为MIPI信号, 进行OLED屏的显示和参数的配置;OLED亮度调节电路,配合FPGA的调光算法,控制输出的负电压Vneg的值,来实现昼夜模式下亮度的调节;EEPROM芯片用于存储相关的参数,如昼夜模式下亮度的最大值和最小值、默认亮度值等;电源转化电路通过电压芯片生成需要的电压值,给各功能电路和OLED屏稳定的供电电源。

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3 主要功能电路实现

3.1 DVI解码电路设计

    DVI信号具有带宽高、抗干扰能力强、传输距离远的特点,已经成为了一种高分辨率视频传输的主流方案。由于DVI采用的是串行传输方式,并采用8/10编码,因此在接收端要进行视频解码,将串行信号转化为后端易于处理的并行TTL信号,主要包括数字RGB信号、行同步信号(HSYNC)、场同步信号(VSYNC)和像素时钟信号(PCLK)。

    本文采用的是Silicon Image的型号为SIL1161的DVI解码芯片,它最大能够支持UXGA分辨率、像素时钟为165 MHz的视频信号的解码,并且为了扩展芯片的应用环境,其内部的寄存器可以通过IIC接口进行配置以调整时钟的相位及信号的驱动能力。并且能够通过调节均衡器的数值,来实现DVI传输长度的匹配,以提升其抗干扰能力,经过设置,最大能够支持20 m信号的传输。

    为了灵活地对芯片进行控制,将SIL1161的控制接口和PFGA相连,通过FPGA对芯片进行配置,以使其工作在最佳状态。SIL1161的内部寄存器的信息如表2所示。通过FPGA将芯片的第99脚(MODE)和低7脚(I2C_MODE#)拉低,使芯片进入IIC配置模式。然后通过第100脚(SCL)和第3脚(SDA)进行参数配置。

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3.2 亮度调节电路设计

    由于OLED为自发光器件,且其发光亮度与流过其中的电流呈线性比例关系,也即电流越大,亮度越高。为了显示亮度的调节,就要对OLED的电流进行控制。由于OLED的像素驱动电路的特点,能够影响OLED电流的因素主要有加在驱动管G极的灰度电压和D极、S极之间的电压。如果通过改变灰度电压的方式调节电流改变亮度,会影响到OLED显示图像的灰阶层次,所以,为了不影响OLED显示灰阶,同时实现亮度调节功能,本文采用的是调节DS之间的电压的方式。具体的实现为,通过固定D极的正电压,调节S端的负电压Vneg的大小来调节亮度。

    由于亮度调节需要的电压范围为:-3.3 V~-6.4 V,而系统的供电电压为+5 V,因此选用的电压芯片为LT3759HMSE。其输入电压范围为+1.6 V~+42 V,具有Boost/SEPIC/Inverting电压转化功能。为了实现输出电压可调节的功能,采用具有IIC接口的数字电位器AD5252BRU1来改变反馈电阻的阻值,以实现电压的调节。具体的电路原理如图2所示。

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3.3 MIPI接口电路

    从2003年MIPI联盟正式推出MIPI协议以来,由于MIPI协议的巨大优势,已经在移动产业中得到了广泛的推广和应用,在处理器、大容量数据传输、无线通信、显示屏等产业中得到广泛的应用。本项目选用的OLED显示屏就是MIPI接口。由于MIPI接口具有特定的协议和编码方式,需要采用接口芯片将数字视频信号转化为MIPI协议信号。本项目采用的是晶门科技的SSD2828系列接口芯片。

    通过SPI接口控制SSD2828的工作模式,可以配置其进入命令模式(command mode)或者视频模式(video mode)。在命令模式下,通过MIPI接口对OLED屏内部寄存器进行配置,实现对上电时序的控制、扫描方向、gamma曲线等功能的配置;配置完成后进入视频模式,此时主要用于视频图像的传输。在视频传输模式下,也可以发送OLED寄存器控制命令,在SSD2828的控制下,在视频的消隐区将命令进行传输,从而对显示画面不造成任何的影响。SSD2828的控制部分由FPGA完成,具体的控制过程在FPGA逻辑部分详细介绍。

3.4 FPGA逻辑设计

    FPGA是整个电路的控制核心,主要完成对外界的通信、视频图像的采集和处理、亮度调节的实现、对OLED的控制等功能。主要的内部逻辑结构如图3所示。

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    在这里,主要介绍亮度调节模块的实现以及MIPI接口和OLED控制模块的实现。

3.4.1 亮度调节模块

为了满足机载环境下的使用要求,显示模块的亮度调节范围被分为昼模式区域和夜模区域两个部分。并且两部分需要对应到一定的调光曲线,也即根据不同的输入调光命令,产生相应的亮度值。所以,首先通过实验的方式,得到输入的电压Vneg和亮度之间的关系,然后通过映射的方式,根据输入的调光命令,控制输出电压的电压值。这个映射过程在FPGA内部完成,然后根据映射结果,通过IIC接口控制亮度调节电路的反馈电阻,以达到控制输出电压的目的。

    通过对测试数据的分析,根据要求的调光曲线制作对应的LUT,使得输入0~255级调光级数都对应不同的数字电位器数值。采用LUT的方式能够将复杂的转化算法变为简单的查找表,实现方式简单,延迟小。为了适应每块屏之间的差异,设置了可调节的最小值、最大值以及比例系数寄存器作为偏移量调节,使得每一块屏的亮度都在要求的范围之内。公式表示为:

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    其中Dreg( )为输出的用于设置数字电位器的数值;Dmin为最小值;Dmax为最大值;K为比例系数;DLUT( )为查找表数据,根据昼夜模式的不同,分为两个LUT;Lcom为调光级数,共256级。

    以上的寄存器都可以通过界面设置,使亮度值达到要求的范围。所有最终设置的寄存器值都被存储到外部的EEPROM中,在FPGA上电的时候被读出。

3.4.2 MIPI和OLED控制模块

    此模块主要通过SPI接口对SSD2828进行配置,以实现对OLED的控制和视频的显示功能。此模块可以分为两层:底层的SPI模块以及上层的控制模块。模块如图4所示。其中SPI 模块实现数据的SPI传输,上层模块是一个状态机,控制需要传输的数据以及其顺序。

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    通过控制SSD2828的内部寄存器实现对芯片的配置,使其进入需要的工作模式。通过向寄存器Generic Packet Drop Register 发送地址和数据,可以实现对OLED屏内的寄存器的配置。其在SSD2828芯片中的地址为0xBF。MIPI发送数据控制模块的实现,采用状态机的方式。整个模块的状态流转如图5所示。

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4 显示模块测试结果

    根据以上电路设计,完成电路板调试和FPGA代码调试,实现了OLED的正常显示。制作成OLED显示模块的实物如图6所示。

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    为了验证模组的功能和性能,搭建实验测试平台。平台由信号发生器、稳压电源、测试台FPM520等构成。主要测试数据如表3所示。

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    从表3的测试数据可以知,彩色OLED模组的各项性能参数和协议要求的参数相匹配,满足要求。而且在重量、对比度、功耗等指标上,OLED显示模组比同尺寸的LCD显示模组要优越很多,也极大地突出了OLED的优势。

5 结论

    本文根据彩色OLED模组的功能要求,设计了此模组的驱动电路。详细介绍了电路的整体设计方案以及各个具体电路的实现方式,并且对FPGA内部的主要功能模块——亮度控制模块和MIPI控制模块的显示方式进行了具体的介绍。最后,对整个OLED显示模组的性能进行了测试,测试结果表明各项性能均满足协议要求。并且其在重量、对比度、功耗指标上有明显的优势,满足了机载显示模组向轻型化、低功耗、高显示质量的发展要求。本文设计为彩色OLED在机载显示器的应用起到了一定的佐证作用。

参考文献

[1] 张雷,吴华夏,胡俊涛,等.一种OLED显示器参数温度自适应设计[J].光电工程,2011,3(2):127-131.

[2] 韩红霞.基于FPGA的视频解码芯片I2C总线配置[J].微计算机信息,2009,25(12-2):13-14.

[3] KAMATH P.MIPI将彻底改变移动产品设计方式[J].集成电路应用,2012(2):1-2.

[4] 熊文彬.基于FPGA的OLED显示系统[D]. 成都:电子科技大学,2011.



作者信息:

陈文明1,2

(1.中航华东光电有限公司,安徽 芜湖241002;2.特种显示技术国家工程实验室,安徽 芜湖241002)