基于AM－OLED的汽車儀表顯示

環 翾，黃舒平

(上海飛樂股份有限公司技術中心，上海 200072)

汽車儀表是汽車信息狀態顯示的人機界面，隨著越來越多的設備應用在汽車中，汽車儀表信息量迅速增加，傳統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、指示準確、圖形設計靈活、視覺效果好、體積小的特點。目前LCD已應用于汽車儀表，并成為汽車儀表的主流發展方向之一。

相比于LCD，有機發光二極管顯示(OLED)是主動發光的，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、可柔性設計的優點，同時具有清晰度高、色彩表現好、響應速度快、功耗低、溫度范圍廣等特點，所以OLED技術整體上優于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用前景。

1 OLED技術簡介

OLED［2］是一種新型的顯示材料。如圖1所示，通常OLED器件設計采用的是多層器件結構。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)、發光層(EML)和電子傳輸層(ETL)，最上層用低功函數金屬如鋁(Al)作陰極，其發光強度與注入的電流成正比。

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

圖1 OLED器件發光原理圖

有源驅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，在幀周期內使像素保持選通狀態，因而不需要瞬態高亮度。這種驅動方式不受占空比限制，不受掃描電極數的限制，可以對各像素獨立進行選擇調節。

AM－OLED較PM－OLED而言，存在著驅動電壓和消耗功率低、適合向大畫面高分辨力發展、發光壽命較長、高反應速度等優點，更適合應用于汽車儀表顯示，所以在本設計中選用AM－OLED作為汽車數字化儀表的顯示面板。

2 系統結構

2.1 AM－OLED汽車儀表的總系統結構

AM－OLED汽車儀表的總系統結構如圖2所示。各信號采集單元通過傳感器采集速度、油量等信息，得到的數據通過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，經過處理后產生相應的視頻信息，數字RGB格式的視頻信號由ARM芯片的視頻接口輸出。

圖2 總系統結構框圖

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，實現對視頻信號的同步、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實現AM－OLED控制的功能結構

FPGA實現AM－OLED控制的結構框架如圖3所示，包括視頻接收模塊、數據寫入模塊、RAM訪問管理模塊以及掃描模塊等。

圖3 FPGA的內部功能結構

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

數據轉換寫入模塊中，dviRot8x8將相鄰8列的RGB信息分別按數據位的權值進行轉置，轉置后的數據保存到FIFO緩沖區中，等候最后寫入到外部SRAM中。

RAM訪問管理模塊協調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/授權模式仲裁外部SRAM的訪問權，以達到最大的內存訪問吞吐率。

掃描模塊中，分形掃描核心模塊產生掃描控制序列，rmxsc選擇此掃描序列，以該序列形成內存訪問的地址序列，向內存管理模塊發出讀請求，在獲得授權后進行讀訪問并將讀出數據與控制信息寫到FIFO緩沖中，scxrl按穩定速率從FIFO中讀出掃描數據并傳送到OLED顯示面板上。

3 分形掃描在AM－OLED控制中的應用

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上實現高灰度級(見圖4)。若表示灰度的二進制碼位數為n，則可以表示的灰度等級為2n，按照最優掃描方法的要求，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生當前掃描時間所對應的子空間碼Segment［NS:0］和位碼Bit［NB－1:0］和消隱碼Hidden，并在其控制下實現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境是在Linux系統下使用VCS仿真工具完成的，仿真結果和波形如圖5所示。

仿真中，采用的是2048級高灰度的分形掃描，由最優分形結構可知需要有1024個子空間，所以Segment為Segment［9:0］、Bit為 Bit［3:0］，從仿真結果可以驗證分形掃描的準確性以及可實現性。

圖5 分形掃描模塊仿真圖(截圖)

4 硬件電路的設計

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，內嵌RAM存儲器和18×18乘法器，多個PLL提供先進的時鐘管理能力，支持多種TTL及差分I/O標準;EP2C8Q208是Altera的低成本FPGA，并且208管腳QFP的封裝易于焊接，使得此系統應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，滿足本設計對存儲器的要求。

在電源設計方面，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，因此可以通過調節供電電壓來調節亮度，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，通過調節電位器R6可以調節LDO的輸出電壓，實現輸出電壓在5～12 V范圍變化。圖7所示為OLED電源板的PCB圖，提供可調節的多路電源管理。

5 測試結果

圖8為實測的AM－OLED控制時序信號SCK和GCK的波形圖，SCK是列驅動同步時鐘，GCK是行驅動同步時鐘。SCK和GCK都是雙邊沿采樣、鎖存數據。本設計中采用的OLED面板是240×320分辨力，每一行包括240個點，FPGA和OLED接口上包括8個相鄰點的數據接口，因此1行的數據信號30次就能傳完，而SCK是雙邊沿采樣，用于傳輸1行數據只要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、色彩亮麗。

圖9 實物電路及顯示效果

6 小結

本文通過分析汽車儀表發展趨勢、比較AM－OLED與其他顯示面板的優缺點，提出了基于AM－OLED的汽車儀表顯示方案。AM－OLED掃描驅動電路由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。經過實際測試，在AM－OLED上顯示的汽車儀表圖像清晰度高、對比度強、色彩亮麗，驗證了AM－OLED應用于汽車儀表的可行性及優越性。

［1］顧雨.車用電子顯示裝置及數字儀表技術與現狀［J］.汽車使用技術開發研究，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顯示屏的驅動方案［J］. 現代顯示，2003(3):43－46.

［4］徐美華，陳章進，冉峰，等.平板顯示系統的最優掃描結構及分形模型［J］. 電子學報，2006(8):1376－1680.

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