文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182998
中文引用格式： 陳文明. 機(jī)載彩色OLED顯示模組的電路設(shè)計(jì)[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.
0 引言
機(jī)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(hào)和作戰(zhàn)指令，具有重要的作用。機(jī)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(jī)載顯示模組的顯示介質(zhì)的更新?lián)Q代。目前，LCD在機(jī)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(diǎn)，如：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、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(shì)越趨明顯，已具備一定的應(yīng)用于機(jī)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(jī)載顯示模塊的電路設(shè)計(jì)。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(duì)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(jī)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(huì)有電流通過而發(fā)光，對(duì)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(duì)比度能達(dá)到100 000:1，對(duì)于招標(biāo)要求的1 000:1的對(duì)比度要求在滿足的范圍之內(nèi)。在驗(yàn)證階段對(duì)此款OLED的亮度進(jìn)行了測(cè)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(duì)于視頻接口、通信方式、電源要求，通過分析以及驗(yàn)證都能夠?qū)崿F(xiàn)。
2 電路整體設(shè)計(jì)
根據(jù)顯示模塊的功能要求，對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(hào)解碼電路，完成串行差分DVI信號(hào)向并行LVTTL信號(hào)的轉(zhuǎn)化，以便后續(xù)FPGA的處理；RS232接口電路，實(shí)現(xiàn)FPGA和上位機(jī)的通信；FPGA是電路中的核心器件，實(shí)現(xiàn)各功能電路和OLED屏的配置和控制、視頻信號(hào)采集處理、調(diào)光算法的實(shí)現(xiàn)、通信功能的實(shí)現(xiàn)、OSD功能等；MIPI編碼電路將FPGA輸出的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為MIPI信號(hào)， 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(shí)現(xiàn)晝夜模式下亮度的調(diào)節(jié)；EEPROM芯片用于存儲(chǔ)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。
3 主要功能電路實(shí)現(xiàn)
3.1 DVI解碼電路設(shè)計(jì)
DVI信號(hào)具有帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，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(hào)轉(zhuǎn)化為后端易于處理的并行TTL信號(hào)，主要包括數(shù)字RGB信號(hào)、行同步信號(hào)（HSYNC）、場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）和像素時(shí)鐘信號(hào)（PCLK）。
本文采用的是Silicon Image的型號(hào)為SIL1161的DVI解碼芯片，它最大能夠支持UXGA分辨率、像素時(shí)鐘為165 MHz的視頻信號(hào)的解碼，并且為了擴(kuò)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(shí)鐘的相位及信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。并且能夠通過調(diào)節(jié)均衡器的數(shù)值，來實(shí)現(xiàn)DVI傳輸長(zhǎng)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(hào)的傳輸。
為了靈活地對(duì)芯片進(jìn)行控制，將SIL1161的控制接口和PFGA相連，通過FPGA對(duì)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。
3.2 亮度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)
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(duì)OLED的電流進(jìn)行控制。由于OLED的像素驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，能夠影響OLED電流的因素主要有加在驅(qū)動(dòng)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(huì)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(shí)實(shí)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(shí)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L(zhǎng)T3759HMSE。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(shí)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(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。具體的電路原理如圖2所示。
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(shì)，已經(jīng)在移動(dòng)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(xiàng)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(hào)轉(zhuǎn)化為MIPI協(xié)議信號(hào)。本項(xiàng)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(duì)OLED屏內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)上電時(shí)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(shí)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(duì)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(jì)
FPGA是整個(gè)電路的控制核心，主要完成對(duì)外界的通信、視頻圖像的采集和處理、亮度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)、對(duì)OLED的控制等功能。主要的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在這里，主要介紹亮度調(diào)節(jié)模塊的實(shí)現(xiàn)以及MIPI接口和OLED控制模塊的實(shí)現(xiàn)。
3.4.1 亮度調(diào)節(jié)模塊
為了滿足機(jī)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(gè)部分。并且兩部分需要對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)要求的調(diào)光曲線制作對(duì)應(yīng)的LUT，使得輸入0~255級(jí)調(diào)光級(jí)數(shù)都對(duì)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?jiǎn)單的查找表，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)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：
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(gè)LUT；Lcom為調(diào)光級(jí)數(shù)，共256級(jí)。
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(chǔ)到外部的EEPROM中，在FPGA上電的時(shí)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(duì)SSD2828進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的SPI傳輸，上層模塊是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，控制需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及其順序。
通過控制SSD2828的內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)，采用狀態(tài)機(jī)的方式。整個(gè)模塊的狀態(tài)流轉(zhuǎn)如圖5所示。
4 顯示模塊測(cè)試結(jié)果
根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)，完成電路板調(diào)試和FPGA代碼調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了OLED的正常顯示。制作成OLED顯示模塊的實(shí)物如圖6所示。
為了驗(yàn)證模組的功能和性能，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。平臺(tái)由信號(hào)發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、測(cè)試臺(tái)FPM520等構(gòu)成。主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。
從表3的測(cè)試數(shù)據(jù)可以知，彩色OLED模組的各項(xiàng)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(duì)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(shì)。
5 結(jié)論
本文根據(jù)彩色OLED模組的功能要求，設(shè)計(jì)了此模組的驅(qū)動(dòng)電路。詳細(xì)介紹了電路的整體設(shè)計(jì)方案以及各個(gè)具體電路的實(shí)現(xiàn)方式，并且對(duì)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(duì)整個(gè)OLED顯示模組的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明各項(xiàng)性能均滿足協(xié)議要求。并且其在重量、對(duì)比度、功耗指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，滿足了機(jī)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(jì)為彩色OLED在機(jī)載顯示器的應(yīng)用起到了一定的佐證作用。
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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(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241002）