2023年12月6日发(作者：漆学)

基于FPGA的AMOLED驱动方案

尹盛;陈杰;夏淑淳

【摘 要】This paper presents a driving scheme based on FPGA for the 17.8

cm(7 in) active matrix organic light emitting display (AMOLED) using μc-Si

TFT scheme is easy to be doesn't require

external cache, and consequently the difficulty of PCB layout and system

control is presents a method connecting screen with IC to

resolve the problem that it is not matching between AMOLED with LCD

Driver ecture of the system and operating principle of each

module within the FPGA are presented in the simulation results

by computer and the results tested by oscillograph on the timing and

controlling signals are results indicate this design can

implement the dynamic video display on AMOLED with 64 gray scales.%介绍了一种基于FPGA的驱动方案,为所研制的基于微晶硅TFT基板的17.8 cm(7 in)有源矩阵有机发光显示器(AMOLED)提供驱动.该驱动方案实现简单,无需外部缓存,降低了电路布线和系统控制的难度.另外,提出了一种屏幕与IC的连接方案,解决了LCD驱动IC与AMOLED不匹配问题.详细介绍了系统组成及FPGA内部各模块工作原理,给出了时序及控制信号仿真图及示波器的实测结果.结果表明,该设计方案可实现64级灰度的AMOLED动态视频显示.

【期刊名称】《液晶与显示》

【年(卷),期】2011(026)002

【总页数】6页(P188-193) 【关键词】有源矩阵有机发光显示器;微晶硅TFT;现场可编程门阵列;驱动

【作 者】尹盛;陈杰;夏淑淳

【作者单位】华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074;华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074;华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074

【正文语种】中 文

【中图分类】TN383

1 引 言

有机发光显示器（OLED）由于具有自主发光、快速响应、轻薄、低功耗并可实现柔性显示等诸多优点而备受关注，被认为是下一代的平板显示技术［1－2］。目前，OLED技术已逐步应用于各种电子产品中，三星、诺基亚等手机已经采用了有源矩阵有机发光显示屏（AMOLED），索尼的OLED电视也已经开始销售。

AMOLED凭借高质量的显示性能而成为发展主要趋势［3］，其中高效率的发光材料及器件制备、高性能TFT及驱动技术是AMOLED研究的关键。目前应用于OLED有源驱动的TFT技术有低温多晶硅（LTPS）TFT、非晶硅（a－Si）TFT和微晶硅（μc－Si）TFT 3种。LTPS TFT具有迁移率高（50～200cm2／V·s）和易集成周边驱动（可做n型和p型TFT）的优点，但其工艺复杂、成本高，阈值电压和迁移率的不均匀性不利于大面积显示；a－Si TFT均匀性好，与目前的AMLCD工业技术兼容，工艺简单、成本低，但存在迁移率低（通常小于1cm2／V·s）、不能用作p型管、阈值电压漂移严重［4］的缺点；μc－Si TFT 性能介于p－Si TFT 与a－Si TFT 之间［5］，较好地平衡 了二者的优缺点，迁移率较高（1～50cm2／V·s），稳定性好于a－Si TFT，可用于大尺寸显示，是TFT驱动技术发展的一个重点方向［6］。对于使用不同TFT基板驱动的AMOLED，应选用适合的灰度实现方式。在p－Si TFT驱动方式中常用数字驱动方案［7］，TFT仅仅作为模拟开关使用，用以解决阈值电压不一致性。数字驱动电路的缺点是工作频率要比模拟驱动电路高得多，不适用于低迁移率TFT驱动的显示电路。a－Si TFT和μc－Si TFT驱动方式中采用的是模拟驱动，优点是原理简单，通过控制电压或者电流的变化就能得到需要的灰度。模拟驱动方法被广泛应用于a－Si TFT LCD中。

我们正在研制中的μc－Si TFT驱动的17.8cm（7in）全彩OLED显示屏，分辨率为480×640×3，64级灰度显示。本文以该显示屏为基础，介绍了一种采用模拟灰度技术的易于实现的驱动方案。结果表明，该设计方案可实现64级灰度的AMOLED动态视频显示。

2 驱动电路总体方案

图1 驱动系统结构框图Fig.1 Block diagram of the driving system

图1所示为驱动电路的整体结构框图。计算机输出的显示数据通过数字视频接口（DVI）传送给DVI解码芯片，将信号解码成RGB信号和时间同步信号，输送给FPGA进行数据处理。FPGA为整个驱动系统的控制、处理核心。处理完的数据经缓存后，再根据时间同步信号写入驱动IC中。最终通过对行、列驱动IC的控制来实现OLED屏幕显示。

驱动电路系统中，DVI解码芯片采用Silicon Image Sill41B；FPGA使用Altera

CycloneⅡ系列的EP2C5T144C6。它有4 608个LES，119 808 bits memory，26个乘法器，用户可用IO口为89个。

在TFT显示屏控制系统中，常采用2片较大容量的片外高速存储芯片缓存一帧的图像数据，并在FPGA控制中引入乒乓操作机制，对2片存储芯片交替读写，实现视频的实时动态显示［8］。在AMOLED的分场驱动研究中，乒乓结构和双通道内存输出技术得到了成功应用［9］；但是，使用片外高速缓存存在价格昂贵和加大布线难度的问题，屏幕分辨率越高则要求缓存容量越大，问题就越突出。在本设计中，利用FPGA片内存储资源代替了片外缓存，结合数据处理及缓存控制，无需缓存一帧数据而仅需缓存几行数据即可，大大简化了电路设计。

3 IC选用及其与屏幕的连接

由OLED屏参数可知，需要480行的行驱动IC来负责行寻址，1 920（640×3）列的列驱动IC来负责数据写入。目前现有的专有AMOLED驱动IC极少且通用性不高，而LCD的驱动IC则品种丰富且技术成熟。所要驱动的OLED屏的电压参数如下：扫描开启电压23V；关闭电压－6V；数据电压13V；VDD大于13V；阴极接地。根据屏幕要求的电压参数，行列驱动分别选择采用COG封装的NOVATEK 公司的NT39208和NT39411。NT39208是TFT－LCD面板的行驱动IC，有240／200输出管脚，可以双向寻址，驱动正电压高达＋40V，负电压最大为－20V，逻辑电平为2.7～5.5V，支持级联扩展；NT39411是 TFT－LCD面板的数据驱动IC，有1 200／1 026个数据输出管脚，可以64级灰度显示。电压输出范围较大，最高工作频率为50MHz，该芯片是点反转的驱动方式，并提供14个伽马校正参考电压。

在液晶显示中，为了避免直流驱动对液晶材料性能造成破坏，驱动芯片会产生不停交替的正负极性电压。这种反转驱动方式有帧反转、行反转、列反转和点反转，其中点反转驱动方式的画面质量最佳［10］。目前大多数的数据驱动IC都是点反转方式，即相邻数据输出管脚的极性相反。显然这在OLED驱动中是不适用的，直接使用将导致亮度下降一半。针对这种不足，可以通过设计驱动TFT的尺寸使像素电流比原先要求的数值高一倍以上来保证亮度。本设计采用双倍数据驱动IC的连接方案来弥补：屏幕的奇数管脚和偶数管脚分开驱动，通过调节IC的极性设置，使每个数据输出都为正极性。因此，行驱动需要2片NT39208，列驱动需要4片NT39411。

如图2所示，两片行驱动IC（NT39208）与屏左侧的480根扫描电极相连，管脚G1～G240与屏幕引脚依次对应连接。屏的数据线引线为1 920根（640×3）。为配合使用LCD的数据驱动IC（NT39411），采取上下双面引线连接法，奇偶线上下分开。上引线的顺序为R1、B1、G2…，下引线的顺序为G1、R2、B2…。上方接第一、二片IC的奇数管脚out1、out3、out5…，下方接第三、四片IC的偶数管脚out2、out4、out6…。同时设置IC的极性控制信号POL使奇偶数据线都能获得一样的正极性电压。这样，4片IC的联合使用即可解决液晶驱动的极性反转不适用OLED屏的问题，比使用2片数据驱动IC时亮度增加一倍。

图2 IC连接示意图Fig.2 Connecting ICs with screen

4 FPGA控制和处理模块

图3所示为FPGA的内部模块框图。针对目标屏，需对RGB视频信号做相应的数据处理，包括图像缩放处理、驱动IC控制、白平衡调整及伽马校正等。缩放及控制模块包括缩放运算模块、同步控制器、缓存控制器及异步FIFO缓存。经过缩放处理后，原数据转换为640×480分辨率的视频数据，同步控制器需产生相匹配的帧、行同步时钟信号，为缓存的读写控制提供同步时序，并为驱动IC提供控制信号。缓存控制器负责异步FIFO缓存中数据的写入与读出，读出时钟由外部晶振提供，保证数据正确有序地通过驱动IC写入屏幕中。下面重点介绍缩放中缩放运算和缓存利用，以及需针对AMOLED屏的白平衡调整及伽马校正。

图3 FPGA内部模块框图Fig.3 Block diagram of modules in FPGA

4.1 缩放运算模块

本设计中，使用PC输出的DVI视频信号作为数据源，其最小分辨率为800×600；而所要驱动的AMOLED物理分辨率为640×480。如果输入数据不经处理就直接送入驱动芯片，就会导致显示时序的错乱，图像缺失甚至无法显示。因此必须对图像进行处理，解决输入视频分辨率与屏幕物理分辨率不匹配的问题。对原视频直接截取所需分辨率的数据是一种简便的方法，但每行写入时间将不变。考虑到OLED像素单元的充放电特性，本文采用图像缩小处理并配合缓存控制的方法，最大化数据写入时间，并可根据需要调整写入速度。

基于双线性插值算法［11］的缩放处理具有速度快、硬件实现简单及图像质量较高的优点，非常适用于图像的实时处理。本文给出了利用FPGA内部FIFO作为缓存的实现视频图像缩小方法。由800×600到640×480实现的是5∶4的缩放，对于原来的1～5行，新产生的4行数据分别对应原2、3、4、5行时输出。根据双线性插值算法，得出缩放输出示意图如图4所示。

图4 双线性插值算法缩放输出示意图Fig.4 Bilinear scaler output schematic

缩放运算如图5所示。对原始数据进行缩放处理，先进行行内处理，即将该行800个数据按5∶4缩放为640个，送入FIFO缓存和列处理模块。5行为一个循环，第1行存入FIFO中，列处理不工作。第2行数据经行处理后送入列处理和FIFO，并读出FIFO中的第1行数据，处理后作为输出第一行。同样第2、3行和3、4行经处理后作为输出第2和3行。第5行数据经行处理后直接作为第4行输出。因此，需要缓存的行数为1、2、3三行，每个数据为18bit，缓存由3个640×18bit的FIFO组成。

图5 双线性插值缩放模块Fig.5 Bilinear scaler module

4.2 异步FIFO缓存

在针对屏幕特点所制定的模拟灰度驱动方式下，无需象分场驱动那样进行整帧数据的缓存。数据经过缩放处理后，存在许多无效的行、列数据，必须将正确的数据缓存后依次读出。最常用的方法就是将整帧数据缓存，但这要求缓存容量很大，FPGA内部资源远远不够。在缩放中，1 024×768或800×600到640×480分辨率分别是8∶5或5∶4的缩放，也就是每8行或5行为缩放时的一个周期。缓存可以周期性循环使用，而缓存几行数据在FPGA中是可以承受的。下面计算从800×600到640×480分辨率缩放后所需的输出缓存容量。

根据 VESA 标准［12］，800×600的60Hz的视频数据，数据时钟为40MHz，一行时间为26.4 μs。设缩放前5行数据为一个缓存周期，则总时间为132μs，即要在该时间内将缩放后的4行数据依次写入FIFO和均匀读出。理论上最小读时钟频率为

若采用20MHz的晶振作为FIFO的读时钟，则读出缩放后640×480的4行的数据总时间为128μs，小于原始5行数据总时间132μs，能保证读写FIFO以5行时间为一个循环周期，完成缩放后的4行连续输出，最大化FIFO的利用率。同时也可以采用更高频率的晶振调整写入时间。

表1 FIFO使用量计算Table 1 Calculation of FIFO usage amount行数 写入个数 读出个数1 640 528 2 640 528 3 640 528 4 640 528 5 0 448

如表1所示，在一行时间26.4μs内，向FIFO中写入640个像素数据。20MHz的读出时钟下，在该行时间内可以连续读出528个数据。4行数据写完后FIFO中还存有448个数据待读出，可以在无数据写入的下一行全部读出。因此，FIFO的理论最小容量深度为448。选择深度为512、位宽为18bit的异步FIFO可以满足本设计。

4.3 白平衡调整及伽马校正

所要驱动的OLED屏采取的是RGB三基色全彩色方案，三基色各子像素的发光特性有所差异，得到的彩色会与标准色彩不一致，需要进行白平衡调整。并由于OLED中有机发光材料随着使用时间增加会有亮度衰减等退化现象，而且RGB子像素随时间衰减不一致，必须外设调整电路，通过对输入的灰度数据进行数学变换，实时调整各种原因产生的色偏。

OLED的亮度与流过的电流大小为近似线性关系，理论上说不需要再进行伽马校正；但本AMOLED屏的像素单元为电压型驱动电路，电压与亮度呈非线性关系，所以需要进行伽马校正。校正分为两步：一是通过调节供给驱动IC的14个伽马校正参考电压值进行校正；二是基于ROM查找表的方法来校正，此步可在FPGA中实现。根据伽马校正曲线，得出灰度电压对应的最接近的灰度数据值，将得到的数据写入查找表中。校正需根据屏幕实际情况设定，预先在程序中留下模块。

5 仿真与验证结果

对所提出的AMOLED驱动方案在QUARTUSⅡ软件中进行了时序仿真以及FPGA硬件平台验证。QUARTUSⅡ软件综合结果表明，所使用的存储单元为43

776bits，占总存储资源的37%。时序仿真结果如图6所示，其中de为行使能信号，de＿m为5∶4缩放后的行使能信号，de＿out为经过异步FIFO缓存后输出的行使能。在图中可以看到，在20MHz的读时钟控制下，数据从5行变为了4行，并实现了近似均匀输出，为驱动IC的读取数据提供了便利。CLK＿GATA为行驱动IC的时钟，在起始信号STVD触发后，各行依次在一个行时钟周期内输出为高电平，使得该行像素可以接受显示数据。oxc为列驱动IC的时钟，列驱动IC接收到DIO1为高电平，表示一行数据即将到来，每个时钟移入一个像素数据。在一行640个像素数据全部移入后，控制载入信号LD为高电平，列驱动IC将该行数据转换为对应电压值向屏幕输出。由仿真结果的波形可以看出，所设计的驱动方案满足控制时序要求。

按照驱动方案设计了电路原理图，并制作成PCB板，最后完成了整个AMOLED驱动系统的电路焊接。将程序编译后下载到FPGA的配置器件中，用示波器观测到de与de＿out波形及驱动IC各控制信号波形如图7所示，时序正确，进一步验证了方案的可行性。 图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

图7 示波器实测信号的电压波形图.（a）de与de＿out；（b）STVD与CLK＿GATA；（c）DIO1与.7 Waveform of the signals from oscilloscope.（a）de and de＿out；（b）STVD and CLK＿GATA；（c）DIO1and LD.

6 结 论

使用LCD驱动IC设计了AMOLED的驱动方案，通过使用双份数据驱动IC解决了驱动IC与AMOLED屏不匹配的问题，避免了50%的亮度损失。充分利用FPGA内部存储资源，简化了驱动电路设计，有效降低了布线难度及系统硬件开销。FPGA验证结果表明，该驱动方案可以满足AMOLED的驱动要求。

参 考 文 献：

［1］Nathan A，Kumar A，Sakariya K，et ous silicon thin film

transistor circuit integration for organic LED displays on glass and plastic［J］.Solid－State Circuits，2004，39（9）：1477－1486.

［2］Baek J H，Lee M H，Lee J H，et al.A current－mode display driver IC

using sample－and－hold scheme for QVGA full－color AMOLED displays［J］.Solid－State Circuits，2006，41（12）：2974－2982.

［3］Nathan A，Chaji G R，Ashtiani S g schemes for a－Si and

LTPS AMOLED displays［J］.Display Technology，2005，1（2）：267－277.

［4］Lin Chihlung，Tsai Tsungting，Chen Yungchih.A novel voltage－feedback pixel circuit for AMOLED displays［J］.Display Technology，2008，4（1）：54－60.

［5］Gaillard A，Rogel R，Crand S，et al.A new active pixel design

usingμc－Si TFT technology to improve brightness uniformity of organic displays［C］／／ICECS，Nice，France：IEEE，2006：498－501.

［6］Teng L H，Anderson W film transistors on nanocrystalline

silicon directly deposited by a microwave plasma CVD ［J］.Solid－State

Electronics，2004，48（2）：309－314.

［7］尹盛，陈帅，刘陈，等.基于FPGA的全彩色 AM－OLED显示屏数字灰度方案 ［J］.电子工程师，2003，29（5）：41－43.

［8］赵二刚，孙鹏飞，赵立晴，等.基于FPGA的TFT显示屏控制系统的设计与实现 ［J］.光电子技术，2009，29（2）：130－134.

［9］沈亮，尹盛，张繁，等.12.7cm彩色 AM－OLED显示器分场驱动研究

［J］.光电子·激光，2006，17（10）：1173－1176.

［10］杨虹，王刚，唐志勇，等.TFT液晶显示屏驱动方法的研究 ［J］.微电子学，2000，30（1）：39－42.

［11］帅金晓，颜永红，彭琰，等.双线性插值图像放大算法优化及硬件实现

［J］.核电子学与探测技术，2009，29（1）：55－58.

［12］ and industry standards and guidelines for computer

display monitor timing［R］.Milipitas，CA：Video Electronics Standards

Association，2004.

2023年12月6日发(作者：漆学)

基于FPGA的AMOLED驱动方案

尹盛;陈杰;夏淑淳

【摘 要】This paper presents a driving scheme based on FPGA for the 17.8

cm(7 in) active matrix organic light emitting display (AMOLED) using μc-Si

TFT scheme is easy to be doesn't require

external cache, and consequently the difficulty of PCB layout and system

control is presents a method connecting screen with IC to

resolve the problem that it is not matching between AMOLED with LCD

Driver ecture of the system and operating principle of each

module within the FPGA are presented in the simulation results

by computer and the results tested by oscillograph on the timing and

controlling signals are results indicate this design can

implement the dynamic video display on AMOLED with 64 gray scales.%介绍了一种基于FPGA的驱动方案,为所研制的基于微晶硅TFT基板的17.8 cm(7 in)有源矩阵有机发光显示器(AMOLED)提供驱动.该驱动方案实现简单,无需外部缓存,降低了电路布线和系统控制的难度.另外,提出了一种屏幕与IC的连接方案,解决了LCD驱动IC与AMOLED不匹配问题.详细介绍了系统组成及FPGA内部各模块工作原理,给出了时序及控制信号仿真图及示波器的实测结果.结果表明,该设计方案可实现64级灰度的AMOLED动态视频显示.

【期刊名称】《液晶与显示》

【年(卷),期】2011(026)002

【总页数】6页(P188-193) 【关键词】有源矩阵有机发光显示器;微晶硅TFT;现场可编程门阵列;驱动

【作 者】尹盛;陈杰;夏淑淳

【作者单位】华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074;华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074;华中科技大学电子科学与技术系,湖北,武汉,430074

【正文语种】中 文

【中图分类】TN383

1 引 言

有机发光显示器（OLED）由于具有自主发光、快速响应、轻薄、低功耗并可实现柔性显示等诸多优点而备受关注，被认为是下一代的平板显示技术［1－2］。目前，OLED技术已逐步应用于各种电子产品中，三星、诺基亚等手机已经采用了有源矩阵有机发光显示屏（AMOLED），索尼的OLED电视也已经开始销售。

AMOLED凭借高质量的显示性能而成为发展主要趋势［3］，其中高效率的发光材料及器件制备、高性能TFT及驱动技术是AMOLED研究的关键。目前应用于OLED有源驱动的TFT技术有低温多晶硅（LTPS）TFT、非晶硅（a－Si）TFT和微晶硅（μc－Si）TFT 3种。LTPS TFT具有迁移率高（50～200cm2／V·s）和易集成周边驱动（可做n型和p型TFT）的优点，但其工艺复杂、成本高，阈值电压和迁移率的不均匀性不利于大面积显示；a－Si TFT均匀性好，与目前的AMLCD工业技术兼容，工艺简单、成本低，但存在迁移率低（通常小于1cm2／V·s）、不能用作p型管、阈值电压漂移严重［4］的缺点；μc－Si TFT 性能介于p－Si TFT 与a－Si TFT 之间［5］，较好地平衡 了二者的优缺点，迁移率较高（1～50cm2／V·s），稳定性好于a－Si TFT，可用于大尺寸显示，是TFT驱动技术发展的一个重点方向［6］。对于使用不同TFT基板驱动的AMOLED，应选用适合的灰度实现方式。在p－Si TFT驱动方式中常用数字驱动方案［7］，TFT仅仅作为模拟开关使用，用以解决阈值电压不一致性。数字驱动电路的缺点是工作频率要比模拟驱动电路高得多，不适用于低迁移率TFT驱动的显示电路。a－Si TFT和μc－Si TFT驱动方式中采用的是模拟驱动，优点是原理简单，通过控制电压或者电流的变化就能得到需要的灰度。模拟驱动方法被广泛应用于a－Si TFT LCD中。

我们正在研制中的μc－Si TFT驱动的17.8cm（7in）全彩OLED显示屏，分辨率为480×640×3，64级灰度显示。本文以该显示屏为基础，介绍了一种采用模拟灰度技术的易于实现的驱动方案。结果表明，该设计方案可实现64级灰度的AMOLED动态视频显示。

2 驱动电路总体方案

图1 驱动系统结构框图Fig.1 Block diagram of the driving system

图1所示为驱动电路的整体结构框图。计算机输出的显示数据通过数字视频接口（DVI）传送给DVI解码芯片，将信号解码成RGB信号和时间同步信号，输送给FPGA进行数据处理。FPGA为整个驱动系统的控制、处理核心。处理完的数据经缓存后，再根据时间同步信号写入驱动IC中。最终通过对行、列驱动IC的控制来实现OLED屏幕显示。

驱动电路系统中，DVI解码芯片采用Silicon Image Sill41B；FPGA使用Altera

CycloneⅡ系列的EP2C5T144C6。它有4 608个LES，119 808 bits memory，26个乘法器，用户可用IO口为89个。

在TFT显示屏控制系统中，常采用2片较大容量的片外高速存储芯片缓存一帧的图像数据，并在FPGA控制中引入乒乓操作机制，对2片存储芯片交替读写，实现视频的实时动态显示［8］。在AMOLED的分场驱动研究中，乒乓结构和双通道内存输出技术得到了成功应用［9］；但是，使用片外高速缓存存在价格昂贵和加大布线难度的问题，屏幕分辨率越高则要求缓存容量越大，问题就越突出。在本设计中，利用FPGA片内存储资源代替了片外缓存，结合数据处理及缓存控制，无需缓存一帧数据而仅需缓存几行数据即可，大大简化了电路设计。

3 IC选用及其与屏幕的连接

由OLED屏参数可知，需要480行的行驱动IC来负责行寻址，1 920（640×3）列的列驱动IC来负责数据写入。目前现有的专有AMOLED驱动IC极少且通用性不高，而LCD的驱动IC则品种丰富且技术成熟。所要驱动的OLED屏的电压参数如下：扫描开启电压23V；关闭电压－6V；数据电压13V；VDD大于13V；阴极接地。根据屏幕要求的电压参数，行列驱动分别选择采用COG封装的NOVATEK 公司的NT39208和NT39411。NT39208是TFT－LCD面板的行驱动IC，有240／200输出管脚，可以双向寻址，驱动正电压高达＋40V，负电压最大为－20V，逻辑电平为2.7～5.5V，支持级联扩展；NT39411是 TFT－LCD面板的数据驱动IC，有1 200／1 026个数据输出管脚，可以64级灰度显示。电压输出范围较大，最高工作频率为50MHz，该芯片是点反转的驱动方式，并提供14个伽马校正参考电压。

在液晶显示中，为了避免直流驱动对液晶材料性能造成破坏，驱动芯片会产生不停交替的正负极性电压。这种反转驱动方式有帧反转、行反转、列反转和点反转，其中点反转驱动方式的画面质量最佳［10］。目前大多数的数据驱动IC都是点反转方式，即相邻数据输出管脚的极性相反。显然这在OLED驱动中是不适用的，直接使用将导致亮度下降一半。针对这种不足，可以通过设计驱动TFT的尺寸使像素电流比原先要求的数值高一倍以上来保证亮度。本设计采用双倍数据驱动IC的连接方案来弥补：屏幕的奇数管脚和偶数管脚分开驱动，通过调节IC的极性设置，使每个数据输出都为正极性。因此，行驱动需要2片NT39208，列驱动需要4片NT39411。

如图2所示，两片行驱动IC（NT39208）与屏左侧的480根扫描电极相连，管脚G1～G240与屏幕引脚依次对应连接。屏的数据线引线为1 920根（640×3）。为配合使用LCD的数据驱动IC（NT39411），采取上下双面引线连接法，奇偶线上下分开。上引线的顺序为R1、B1、G2…，下引线的顺序为G1、R2、B2…。上方接第一、二片IC的奇数管脚out1、out3、out5…，下方接第三、四片IC的偶数管脚out2、out4、out6…。同时设置IC的极性控制信号POL使奇偶数据线都能获得一样的正极性电压。这样，4片IC的联合使用即可解决液晶驱动的极性反转不适用OLED屏的问题，比使用2片数据驱动IC时亮度增加一倍。

图2 IC连接示意图Fig.2 Connecting ICs with screen

4 FPGA控制和处理模块

图3所示为FPGA的内部模块框图。针对目标屏，需对RGB视频信号做相应的数据处理，包括图像缩放处理、驱动IC控制、白平衡调整及伽马校正等。缩放及控制模块包括缩放运算模块、同步控制器、缓存控制器及异步FIFO缓存。经过缩放处理后，原数据转换为640×480分辨率的视频数据，同步控制器需产生相匹配的帧、行同步时钟信号，为缓存的读写控制提供同步时序，并为驱动IC提供控制信号。缓存控制器负责异步FIFO缓存中数据的写入与读出，读出时钟由外部晶振提供，保证数据正确有序地通过驱动IC写入屏幕中。下面重点介绍缩放中缩放运算和缓存利用，以及需针对AMOLED屏的白平衡调整及伽马校正。

图3 FPGA内部模块框图Fig.3 Block diagram of modules in FPGA

4.1 缩放运算模块

本设计中，使用PC输出的DVI视频信号作为数据源，其最小分辨率为800×600；而所要驱动的AMOLED物理分辨率为640×480。如果输入数据不经处理就直接送入驱动芯片，就会导致显示时序的错乱，图像缺失甚至无法显示。因此必须对图像进行处理，解决输入视频分辨率与屏幕物理分辨率不匹配的问题。对原视频直接截取所需分辨率的数据是一种简便的方法，但每行写入时间将不变。考虑到OLED像素单元的充放电特性，本文采用图像缩小处理并配合缓存控制的方法，最大化数据写入时间，并可根据需要调整写入速度。

基于双线性插值算法［11］的缩放处理具有速度快、硬件实现简单及图像质量较高的优点，非常适用于图像的实时处理。本文给出了利用FPGA内部FIFO作为缓存的实现视频图像缩小方法。由800×600到640×480实现的是5∶4的缩放，对于原来的1～5行，新产生的4行数据分别对应原2、3、4、5行时输出。根据双线性插值算法，得出缩放输出示意图如图4所示。

图4 双线性插值算法缩放输出示意图Fig.4 Bilinear scaler output schematic

缩放运算如图5所示。对原始数据进行缩放处理，先进行行内处理，即将该行800个数据按5∶4缩放为640个，送入FIFO缓存和列处理模块。5行为一个循环，第1行存入FIFO中，列处理不工作。第2行数据经行处理后送入列处理和FIFO，并读出FIFO中的第1行数据，处理后作为输出第一行。同样第2、3行和3、4行经处理后作为输出第2和3行。第5行数据经行处理后直接作为第4行输出。因此，需要缓存的行数为1、2、3三行，每个数据为18bit，缓存由3个640×18bit的FIFO组成。

图5 双线性插值缩放模块Fig.5 Bilinear scaler module

4.2 异步FIFO缓存

在针对屏幕特点所制定的模拟灰度驱动方式下，无需象分场驱动那样进行整帧数据的缓存。数据经过缩放处理后，存在许多无效的行、列数据，必须将正确的数据缓存后依次读出。最常用的方法就是将整帧数据缓存，但这要求缓存容量很大，FPGA内部资源远远不够。在缩放中，1 024×768或800×600到640×480分辨率分别是8∶5或5∶4的缩放，也就是每8行或5行为缩放时的一个周期。缓存可以周期性循环使用，而缓存几行数据在FPGA中是可以承受的。下面计算从800×600到640×480分辨率缩放后所需的输出缓存容量。

根据 VESA 标准［12］，800×600的60Hz的视频数据，数据时钟为40MHz，一行时间为26.4 μs。设缩放前5行数据为一个缓存周期，则总时间为132μs，即要在该时间内将缩放后的4行数据依次写入FIFO和均匀读出。理论上最小读时钟频率为

若采用20MHz的晶振作为FIFO的读时钟，则读出缩放后640×480的4行的数据总时间为128μs，小于原始5行数据总时间132μs，能保证读写FIFO以5行时间为一个循环周期，完成缩放后的4行连续输出，最大化FIFO的利用率。同时也可以采用更高频率的晶振调整写入时间。

表1 FIFO使用量计算Table 1 Calculation of FIFO usage amount行数 写入个数 读出个数1 640 528 2 640 528 3 640 528 4 640 528 5 0 448

如表1所示，在一行时间26.4μs内，向FIFO中写入640个像素数据。20MHz的读出时钟下，在该行时间内可以连续读出528个数据。4行数据写完后FIFO中还存有448个数据待读出，可以在无数据写入的下一行全部读出。因此，FIFO的理论最小容量深度为448。选择深度为512、位宽为18bit的异步FIFO可以满足本设计。

4.3 白平衡调整及伽马校正

所要驱动的OLED屏采取的是RGB三基色全彩色方案，三基色各子像素的发光特性有所差异，得到的彩色会与标准色彩不一致，需要进行白平衡调整。并由于OLED中有机发光材料随着使用时间增加会有亮度衰减等退化现象，而且RGB子像素随时间衰减不一致，必须外设调整电路，通过对输入的灰度数据进行数学变换，实时调整各种原因产生的色偏。

OLED的亮度与流过的电流大小为近似线性关系，理论上说不需要再进行伽马校正；但本AMOLED屏的像素单元为电压型驱动电路，电压与亮度呈非线性关系，所以需要进行伽马校正。校正分为两步：一是通过调节供给驱动IC的14个伽马校正参考电压值进行校正；二是基于ROM查找表的方法来校正，此步可在FPGA中实现。根据伽马校正曲线，得出灰度电压对应的最接近的灰度数据值，将得到的数据写入查找表中。校正需根据屏幕实际情况设定，预先在程序中留下模块。

5 仿真与验证结果

对所提出的AMOLED驱动方案在QUARTUSⅡ软件中进行了时序仿真以及FPGA硬件平台验证。QUARTUSⅡ软件综合结果表明，所使用的存储单元为43

776bits，占总存储资源的37%。时序仿真结果如图6所示，其中de为行使能信号，de＿m为5∶4缩放后的行使能信号，de＿out为经过异步FIFO缓存后输出的行使能。在图中可以看到，在20MHz的读时钟控制下，数据从5行变为了4行，并实现了近似均匀输出，为驱动IC的读取数据提供了便利。CLK＿GATA为行驱动IC的时钟，在起始信号STVD触发后，各行依次在一个行时钟周期内输出为高电平，使得该行像素可以接受显示数据。oxc为列驱动IC的时钟，列驱动IC接收到DIO1为高电平，表示一行数据即将到来，每个时钟移入一个像素数据。在一行640个像素数据全部移入后，控制载入信号LD为高电平，列驱动IC将该行数据转换为对应电压值向屏幕输出。由仿真结果的波形可以看出，所设计的驱动方案满足控制时序要求。

按照驱动方案设计了电路原理图，并制作成PCB板，最后完成了整个AMOLED驱动系统的电路焊接。将程序编译后下载到FPGA的配置器件中，用示波器观测到de与de＿out波形及驱动IC各控制信号波形如图7所示，时序正确，进一步验证了方案的可行性。 图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

图7 示波器实测信号的电压波形图.（a）de与de＿out；（b）STVD与CLK＿GATA；（c）DIO1与.7 Waveform of the signals from oscilloscope.（a）de and de＿out；（b）STVD and CLK＿GATA；（c）DIO1and LD.

6 结 论

使用LCD驱动IC设计了AMOLED的驱动方案，通过使用双份数据驱动IC解决了驱动IC与AMOLED屏不匹配的问题，避免了50%的亮度损失。充分利用FPGA内部存储资源，简化了驱动电路设计，有效降低了布线难度及系统硬件开销。FPGA验证结果表明，该驱动方案可以满足AMOLED的驱动要求。

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