基于AM－OLED的汽车仪表显示

环 翾，黄舒平

(上海飞乐股份有限公司技术中心，上海 200072)

汽车仪表是汽车信息状态显示的人机界面，随着越来越多的设备应用在汽车中，汽车仪表信息量迅速增加，传统汽车仪表的表盘已不能满足要求［1］。而采用液晶显示屏(LCD)作为汽车仪表的显示界面，有显示信息量大、指示准确、图形设计灵活、视觉效果好、体积小的特点。目前LCD已应用于汽车仪表，并成为汽车仪表的主流发展方向之一。

相比于LCD，有机发光二极管显示(OLED)是主动发光的，无需背光管，因此具有更轻更薄、亮度高、可视角度大、抗震能力强、可柔性设计的优点，同时具有清晰度高、色彩表现好、响应速度快、功耗低、温度范围广等特点，所以OLED技术整体上优于LCD。而在三星、LG、索尼等大公司的推动下，OLED的市场也日益成熟，OLED在汽车仪表中有广阔的应用前景。

1 OLED技术简介

OLED［2］是一种新型的显示材料。如图1所示，通常OLED器件设计采用的是多层器件结构。器件底层采用玻璃做衬底，在玻璃表面镀上一层氧化锡铟(ITO)作阳极，中间包括空穴注入层(TPD)、空穴传输层(HTL)、发光层(EML)和电子传输层(ETL)，最上层用低功函数金属如铝(Al)作阴极，其发光强度与注入的电流成正比。

OLED显示可分无源驱动(PM－OLED)和有源驱动(AM－OLED)［3］两种。前者使用普通的矩阵交叉屏，后者要求每一个发光单元都由TFT寻址独立控制。

图1 OLED器件发光原理图

有源驱动方式是给每一个像素配备晶体管和信号存储电容，输入信号存储在存储电容器上，在帧周期内使像素保持选通状态，因而不需要瞬态高亮度。这种驱动方式不受占空比限制，不受扫描电极数的限制，可以对各像素独立进行选择调节。

AM－OLED较PM－OLED而言，存在着驱动电压和消耗功率低、适合向大画面高分辨力发展、发光寿命较长、高反应速度等优点，更适合应用于汽车仪表显示，所以在本设计中选用AM－OLED作为汽车数字化仪表的显示面板。

2 系统结构

2.1 AM－OLED汽车仪表的总系统结构

AM－OLED汽车仪表的总系统结构如图2所示。各信号采集单元通过传感器采集速度、油量等信息，得到的数据通过CAN总线传输;在仪表控制端采用嵌入式ARM处理器，集中接收CAN总线上的仪表信息，经过处理后产生相应的视频信息，数字RGB格式的视频信号由ARM芯片的视频接口输出。

图2 总系统结构框图

AM－OLED显示的控制以为FPGA为核心，如图2所示，此部分电路由FPGA、配置电路、存储器、电源管理、AM－OLED显示面板组成。FPGA接收到ARM输出的仪表视频信号，实现对视频信号的同步、变换、缓存、扫描控制等处理，最终控制AM－OLED面板显示出仪表图像。下面具体说明FPGA如何控制AM－OLED显示视频。

2.2 FPGA实现AM－OLED控制的功能结构

FPGA实现AM－OLED控制的结构框架如图3所示，包括视频接收模块、数据写入模块、RAM访问管理模块以及扫描模块等。

图3 FPGA的内部功能结构

接收模块中，dviSyn对视频数据进行同步处理，dviInfo检测分辨力等信息，dviPict检测关键区域的图像变化情况，dviOffset计算图像的偏移量以正确映射到OLED显示屏上，dviColor调整灰度值以校正图像颜色，dviSet捕捉视频数据中所包含的设置信息，recvSet模块对来自dviSet的信息进行译码并将设置传送至各控制模块。

数据转换写入模块中，dviRot8x8将相邻8列的RGB信息分别按数据位的权值进行转置，转置后的数据保存到FIFO缓冲区中，等候最后写入到外部SRAM中。

RAM访问管理模块协调来自输入视频源端的写请求与来自扫描端的读请求，以请求/授权模式仲裁外部SRAM的访问权，以达到最大的内存访问吞吐率。

扫描模块中，分形扫描核心模块产生扫描控制序列，rmxsc选择此扫描序列，以该序列形成内存访问的地址序列，向内存管理模块发出读请求，在获得授权后进行读访问并将读出数据与控制信息写到FIFO缓冲中，scxrl按稳定速率从FIFO中读出扫描数据并传送到OLED显示面板上。

3 分形扫描在AM－OLED控制中的应用

分形扫描方法［4］是一种全新的灰度扫描方法，它具有接近100%的扫描效率，能够在不提高时钟频率的基础上实现高灰度级(见图4)。若表示灰度的二进制码位数为n，则可以表示的灰度等级为2n，按照最优扫描方法的要求，将整个显示面板划分为2n－1个子空间，子空间码的位宽NS=n－1。位码的位宽NB=lb n，分形扫描核心模块在GetNext信号有效的情况下按时钟依次产生当前扫描时间所对应的子空间码Segment［NS:0］和位码Bit［NB－1:0］和消隐码Hidden，并在其控制下实现高灰度高分辨力平板显示。

图4 分形扫描核心模块

分形扫描模块的仿真:分形扫描模块的仿真环境是在Linux系统下使用VCS仿真工具完成的，仿真结果和波形如图5所示。

仿真中，采用的是2048级高灰度的分形扫描，由最优分形结构可知需要有1024个子空间，所以Segment为Segment［9:0］、Bit为 Bit［3:0］，从仿真结果可以验证分形扫描的准确性以及可实现性。

图5 分形扫描模块仿真图(截图)

4 硬件电路的设计

AM－OLED显示控制部分电路如上述图2所示，以FPGA为核心，包括配置电路、片外存储器、电源管理等电路。FPGA选用Altera的EP2C8Q208，属于Cyclone II系列器件［5］;Cyclone II系列采用90 nm、低K绝缘材料工艺，功耗低，逻辑单元容量大，内嵌RAM存储器和18×18乘法器，多个PLL提供先进的时钟管理能力，支持多种TTL及差分I/O标准;EP2C8Q208是Altera的低成本FPGA，并且208管脚QFP的封装易于焊接，使得此系统应用在汽车仪表中在成本上得到控制。外部存储器选用ISSI的IS61NP12832，是1片128 k×32 bit的大容量、快速SSRAM，满足本设计对存储器的要求。

在电源设计方面，对于OLED面板的供电是RGB的3种颜色分开供电的，RGB的3路供电电压的高低决定3种颜色的亮度，因此可以通过调节供电电压来调节亮度，从而校正色彩。如图6所示，以红色的供电电源为例，电源管理采用TPS71501，通过调节电位器R6可以调节LDO的输出电压，实现输出电压在5～12 V范围变化。图7所示为OLED电源板的PCB图，提供可调节的多路电源管理。

5 测试结果

图8为实测的AM－OLED控制时序信号SCK和GCK的波形图，SCK是列驱动同步时钟，GCK是行驱动同步时钟。SCK和GCK都是双边沿采样、锁存数据。本设计中采用的OLED面板是240×320分辨力，每一行包括240个点，FPGA和OLED接口上包括8个相邻点的数据接口，因此1行的数据信号30次就能传完，而SCK是双边沿采样，用于传输1行数据只要15个SCK时钟信号，再加上几个周期的行回扫时间，如图8所示，每半个GCK周期对应18个SCK时钟，同步时序上得到验证。

图8 SCK和GCK测试波形(截图)

图9是实物电路及汽车仪表显示效果，在AM－OLED上显示的汽车仪表图像清晰度高、对比度强、色彩亮丽。

图9 实物电路及显示效果

6 小结

本文通过分析汽车仪表发展趋势、比较AM－OLED与其他显示面板的优缺点，提出了基于AM－OLED的汽车仪表显示方案。AM－OLED扫描驱动电路由FPGA控制，在扫描方法上，使用分形扫描方式，使得扫描效率和显示灰度有了很大的提高。经过实际测试，在AM－OLED上显示的汽车仪表图像清晰度高、对比度强、色彩亮丽，验证了AM－OLED应用于汽车仪表的可行性及优越性。

［1］顾雨.车用电子显示装置及数字仪表技术与现状［J］.汽车使用技术开发研究，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，程帅，沈亮，等.2英寸全彩色AM－OLED显示屏的驱动方案［J］. 现代显示，2003(3):43－46.

［4］徐美华，陈章进，冉峰，等.平板显示系统的最优扫描结构及分形模型［J］. 电子学报，2006(8):1376－1680.

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