基于AM－OLED的汽車儀表顯示

環(huán) 翾，黃舒平

(上海飛樂股份有限公司技術(shù)中心，上海 200072)

汽車儀表是汽車信息狀態(tài)顯示的人機(jī)界面，隨著越來越多的設(shè)備應(yīng)用在汽車中，汽車儀表信息量迅速增加，傳統(tǒng)汽車儀表的表盤已不能滿足要求［1］。而采用液晶顯示屏(LCD)作為汽車儀表的顯示界面，有顯示信息量大、指示準(zhǔn)確、圖形設(shè)計靈活、視覺效果好、體積小的特點(diǎn)。目前LCD已應(yīng)用于汽車儀表，并成為汽車儀表的主流發(fā)展方向之一。

相比于LCD，有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)是主動發(fā)光的，無需背光管，因此具有更輕更薄、亮度高、可視角度大、抗震能力強(qiáng)、可柔性設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，同時具有清晰度高、色彩表現(xiàn)好、響應(yīng)速度快、功耗低、溫度范圍廣等特點(diǎn)，所以O(shè)LED技術(shù)整體上優(yōu)于LCD。而在三星、LG、索尼等大公司的推動下，OLED的市場也日益成熟，OLED在汽車儀表中有廣闊的應(yīng)用前景。

1 OLED技術(shù)簡介

OLED［2］是一種新型的顯示材料。如圖1所示，通常OLED器件設(shè)計采用的是多層器件結(jié)構(gòu)。器件底層采用玻璃做襯底，在玻璃表面鍍上一層氧化錫銦(ITO)作陽極，中間包括空穴注入層(TPD)、空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EML)和電子傳輸層(ETL)，最上層用低功函數(shù)金屬如鋁(Al)作陰極，其發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比。

OLED顯示可分無源驅(qū)動(PM－OLED)和有源驅(qū)動(AM－OLED)［3］兩種。前者使用普通的矩陣交叉屏，后者要求每一個發(fā)光單元都由TFT尋址獨(dú)立控制。

圖1 OLED器件發(fā)光原理圖

有源驅(qū)動方式是給每一個像素配備晶體管和信號存儲電容，輸入信號存儲在存儲電容器上，在幀周期內(nèi)使像素保持選通狀態(tài)，因而不需要瞬態(tài)高亮度。這種驅(qū)動方式不受占空比限制，不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素獨(dú)立進(jìn)行選擇調(diào)節(jié)。

AM－OLED較PM－OLED而言，存在著驅(qū)動電壓和消耗功率低、適合向大畫面高分辨力發(fā)展、發(fā)光壽命較長、高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，更適合應(yīng)用于汽車儀表顯示，所以在本設(shè)計中選用AM－OLED作為汽車數(shù)字化儀表的顯示面板。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 AM－OLED汽車儀表的總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AM－OLED汽車儀表的總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各信號采集單元通過傳感器采集速度、油量等信息，得到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸;在儀表控制端采用嵌入式ARM處理器，集中接收CAN總線上的儀表信息，經(jīng)過處理后產(chǎn)生相應(yīng)的視頻信息，數(shù)字RGB格式的視頻信號由ARM芯片的視頻接口輸出。

圖2 總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

AM－OLED顯示的控制以為FPGA為核心，如圖2所示，此部分電路由FPGA、配置電路、存儲器、電源管理、AM－OLED顯示面板組成。FPGA接收到ARM輸出的儀表視頻信號，實(shí)現(xiàn)對視頻信號的同步、變換、緩存、掃描控制等處理，最終控制AM－OLED面板顯示出儀表圖像。下面具體說明FPGA如何控制AM－OLED顯示視頻。

2.2 FPGA實(shí)現(xiàn)AM－OLED控制的功能結(jié)構(gòu)

FPGA實(shí)現(xiàn)AM－OLED控制的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，包括視頻接收模塊、數(shù)據(jù)寫入模塊、RAM訪問管理模塊以及掃描模塊等。

圖3 FPGA的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

接收模塊中，dviSyn對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，dviInfo檢測分辨力等信息，dviPict檢測關(guān)鍵區(qū)域的圖像變化情況，dviOffset計算圖像的偏移量以正確映射到OLED顯示屏上，dviColor調(diào)整灰度值以校正圖像顏色，dviSet捕捉視頻數(shù)據(jù)中所包含的設(shè)置信息，recvSet模塊對來自dviSet的信息進(jìn)行譯碼并將設(shè)置傳送至各控制模塊。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寫入模塊中，dviRot8x8將相鄰8列的RGB信息分別按數(shù)據(jù)位的權(quán)值進(jìn)行轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)保存到FIFO緩沖區(qū)中，等候最后寫入到外部SRAM中。

RAM訪問管理模塊協(xié)調(diào)來自輸入視頻源端的寫請求與來自掃描端的讀請求，以請求/授權(quán)模式仲裁外部SRAM的訪問權(quán)，以達(dá)到最大的內(nèi)存訪問吞吐率。

掃描模塊中，分形掃描核心模塊產(chǎn)生掃描控制序列，rmxsc選擇此掃描序列，以該序列形成內(nèi)存訪問的地址序列，向內(nèi)存管理模塊發(fā)出讀請求，在獲得授權(quán)后進(jìn)行讀訪問并將讀出數(shù)據(jù)與控制信息寫到FIFO緩沖中，scxrl按穩(wěn)定速率從FIFO中讀出掃描數(shù)據(jù)并傳送到OLED顯示面板上。

3 分形掃描在AM－OLED控制中的應(yīng)用

分形掃描方法［4］是一種全新的灰度掃描方法，它具有接近100%的掃描效率，能夠在不提高時鐘頻率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高灰度級(見圖4)。若表示灰度的二進(jìn)制碼位數(shù)為n，則可以表示的灰度等級為2n，按照最優(yōu)掃描方法的要求，將整個顯示面板劃分為2n－1個子空間，子空間碼的位寬NS=n－1。位碼的位寬NB=lb n，分形掃描核心模塊在GetNext信號有效的情況下按時鐘依次產(chǎn)生當(dāng)前掃描時間所對應(yīng)的子空間碼Segment［NS:0］和位碼Bit［NB－1:0］和消隱碼Hidden，并在其控制下實(shí)現(xiàn)高灰度高分辨力平板顯示。

圖4 分形掃描核心模塊

分形掃描模塊的仿真:分形掃描模塊的仿真環(huán)境是在Linux系統(tǒng)下使用VCS仿真工具完成的，仿真結(jié)果和波形如圖5所示。

仿真中，采用的是2048級高灰度的分形掃描，由最優(yōu)分形結(jié)構(gòu)可知需要有1024個子空間，所以Segment為Segment［9:0］、Bit為 Bit［3:0］，從仿真結(jié)果可以驗證分形掃描的準(zhǔn)確性以及可實(shí)現(xiàn)性。

圖5 分形掃描模塊仿真圖(截圖)

4 硬件電路的設(shè)計

AM－OLED顯示控制部分電路如上述圖2所示，以FPGA為核心，包括配置電路、片外存儲器、電源管理等電路。FPGA選用Altera的EP2C8Q208，屬于Cyclone II系列器件［5］;Cyclone II系列采用90 nm、低K絕緣材料工藝，功耗低，邏輯單元容量大，內(nèi)嵌RAM存儲器和18×18乘法器，多個PLL提供先進(jìn)的時鐘管理能力，支持多種TTL及差分I/O標(biāo)準(zhǔn);EP2C8Q208是Altera的低成本FPGA，并且208管腳QFP的封裝易于焊接，使得此系統(tǒng)應(yīng)用在汽車儀表中在成本上得到控制。外部存儲器選用ISSI的IS61NP12832，是1片128 k×32 bit的大容量、快速SSRAM，滿足本設(shè)計對存儲器的要求。

在電源設(shè)計方面，對于OLED面板的供電是RGB的3種顏色分開供電的，RGB的3路供電電壓的高低決定3種顏色的亮度，因此可以通過調(diào)節(jié)供電電壓來調(diào)節(jié)亮度，從而校正色彩。如圖6所示，以紅色的供電電源為例，電源管理采用TPS71501，通過調(diào)節(jié)電位器R6可以調(diào)節(jié)LDO的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓在5～12 V范圍變化。圖7所示為OLED電源板的PCB圖，提供可調(diào)節(jié)的多路電源管理。

5 測試結(jié)果

圖8為實(shí)測的AM－OLED控制時序信號SCK和GCK的波形圖，SCK是列驅(qū)動同步時鐘，GCK是行驅(qū)動同步時鐘。SCK和GCK都是雙邊沿采樣、鎖存數(shù)據(jù)。本設(shè)計中采用的OLED面板是240×320分辨力，每一行包括240個點(diǎn)，F(xiàn)PGA和OLED接口上包括8個相鄰點(diǎn)的數(shù)據(jù)接口，因此1行的數(shù)據(jù)信號30次就能傳完，而SCK是雙邊沿采樣，用于傳輸1行數(shù)據(jù)只要15個SCK時鐘信號，再加上幾個周期的行回掃時間，如圖8所示，每半個GCK周期對應(yīng)18個SCK時鐘，同步時序上得到驗證。

圖8 SCK和GCK測試波形(截圖)

圖9是實(shí)物電路及汽車儀表顯示效果，在AM－OLED上顯示的汽車儀表圖像清晰度高、對比度強(qiáng)、色彩亮麗。

圖9 實(shí)物電路及顯示效果

6 小結(jié)

本文通過分析汽車儀表發(fā)展趨勢、比較AM－OLED與其他顯示面板的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于AM－OLED的汽車儀表顯示方案。AM－OLED掃描驅(qū)動電路由FPGA控制，在掃描方法上，使用分形掃描方式，使得掃描效率和顯示灰度有了很大的提高。經(jīng)過實(shí)際測試，在AM－OLED上顯示的汽車儀表圖像清晰度高、對比度強(qiáng)、色彩亮麗，驗證了AM－OLED應(yīng)用于汽車儀表的可行性及優(yōu)越性。

［1］顧雨.車用電子顯示裝置及數(shù)字儀表技術(shù)與現(xiàn)狀［J］.汽車使用技術(shù)開發(fā)研究，2011(3):1－6.

［2］CHUNG K H，HONG M P，KIM C W，et al.Needs and solutions of future flat panel display for information technology industry［C］//Proc.Electron Devices Meeting.［S.l.］:IEEE Press，2002:385－388.

［3］尹盛，程帥，沈亮，等.2英寸全彩色AM－OLED顯示屏的驅(qū)動方案［J］. 現(xiàn)代顯示，2003(3):43－46.

［4］徐美華，陳章進(jìn)，冉峰，等.平板顯示系統(tǒng)的最優(yōu)掃描結(jié)構(gòu)及分形模型［J］. 電子學(xué)報，2006(8):1376－1680.

［5］Altera CycloneII Datasheet［EB/OL］.［2011－12－02］.http://www.altera.com.cn/devices/fpga/cyclone2/cy2－index.jsp.