基于FPGA的无线OLED微显示器系统的设计

分类号：TN27 U D C：D10621
密级：公开编号：2009
成都信息工程学院
学位论文
基于FPGA的无线OLED微显示器系统的设计
论文作者姓名：
申请学位专业：电子科学与技术
申请学位类别：工学学士
指导教师姓名（职称）：（实验师）
论文提交日期：2013年06月06日
基于FPGA的无线OLED微显示器系统的设计
摘要
有机电致发光显示器件OLED(Organic Light Emitting Diode)作为全固态半导体发光器件,拥有自主发光、高亮度、低功耗、视角广等特性,为平板显示技术的发展注入了新的活力。

针对现有微显示器系统采用硅基液晶（LCOS)带来的功耗、用户体验不佳，以及图像发送端和微显示器之间一般通过物理电线连接，或者采用传输效率不高的无线图像传输协议等问题，采用OLED微显示器和基于非压缩数据的无线图像数据传输协议WHDI的无线传输模块，利用FPGA EP2C8Q208C8作为核心控制器件，设计了主控制器以及OLED微显示器的驱动与控制模块，从而完成了整个无线OLED微显示器系统的设计，实现了高清图像的无线实时传输和显示。

关键词：OLED微显示器；WHDI；FPGA
Design of wireless OLED display system based on
FPGA
Abstract
OLED (Organic Light Emitting Diodes) is a kind of full solid-state semiconductor luminescent device, which has lots of distinguished features such as light-emitting actively, high brightness, low power consumption, wide viewing angle. With so many advantages, OLED will bring a new vigor to flat panel display, promoting technology development.
According to the problems of LCOS power consumption and the user experience for the existing microdisplay system, what is more, physical wires generally between the image transmitter and microdisplay or the use of the transmission efficiency not high of wireless image transmission protocol and so on, this work adopted the OLED microdipaly and wireless image data transfer protocol based on the non-compressed data WHDI, and used the FPGA OP2C8Q208C8 as the core control device. In the meantime, a host controller and OLED microdiplay system was designed and the realtime wireless transmission and display of high-definition images were realized.
Key words: OLED microdisplay; WHDI; FPGA
目录
论文总页数：16页
1 引言 (1)
2 基本功能器件 (1)
2.1 FPGA的基本介绍 (1)
2.1.1 FPGA的流程设计 (1)
2.1.2 现场可编程门阵列FPGA (2)
2.1.3 FPGA运用在视频显示系统中的价值 (2)
2.2 无线传输技术 (3)
2.3 OLED介绍 (4)
2.3.1 OLED结构及发光原理 (4)
2.3.2 OLED产品分类 (5)
2.3.3 OLED显示驱动技术 (7)
2.3.4 OLED显示技术目前面临的问题 (7)
2.4 本章小结 (7)
3 系统方案设计 (7)
3.1 硬件系统设计概述 (7)
3.2 OLED微显示器 (8)
3.3 无线传输模块 (9)
3.4 本章小结 (9)
4 主控制器的设计 (10)
4.1 主控器硬件结构 (10)
4.2 OLED微显示器的驱动与控制模块 (11)
4.3 系统测试 (12)
4.4 本章小结 (12)
结论 (13)
参考文献 (13)
致谢 (15)
声明............................................................................................................错误!未定义书签。

1 引言
在众多显示器产品中，微显示器是一种较为特殊的产品形态，一般定义屏幕对角线尺寸小于3.3cm的显示器为微显示器。

微显示器自身物理尺寸很小，像素点距仅10um左右，但可以通过光学系统实现超大屏幕显示。

微显示器在消费电子产品中可应用于头戴式视频播放器、头戴式家庭影院、头戴式虚拟现实模拟器、头戴式游戏机、头戴式医疗诊断系统、手机等移动设备的扩展显示器以及微投影仪，在军事上可应用于单兵作战系统、武器瞄准系统、红外夜视仪及空军头盔系统等。

同时，微显示器主要用于便携式装备，对移动特性的要求很高。

现有微显示器系统的图像发送端和微显示器之间一般通过物理电线连接，受电线及延长线的限制，无法随意移动，且电线及延长线在便携式装备系统上应用不方便，也不美观；或者采用传输效率不高的无线图像传输协议，如基于图像压缩的无线数据传输协议Wi-Fi具有明显的延时，且大都采用有损压缩方式，图像质量有所损失。

而基于非压缩数据的无线图像数据传输协议如WHDI能进行无延时的高清图像无线传输。

因此，本文提出了一种无线OLED微显示器系统，该系统采用OLED 微显示器和无线图像数据传输协议WHDI，实现了实时无线传输和显示高清图像。

过去寿命问题和发光效率问题一直阻扰着OLED技术的发展，但现在OLED 的发光亮度、使用寿命以及发光效率等诸多方面已经接近或达到了实际使用要求。

目前，整体来说国内显示领域都处于相对落后阶段，从上游的原材料到后期的面板、驱动技术等，属于自己的核心技术甚少，几乎都处于刚起步阶段，设备材料以及驱动芯片大多也依靠从国外进口，因此要实现国家自主的产业化还有许多路要走，如何在短时间内攻克技术难关，并在国际化的市场竞争中抢占一席之地，目前是一大课题。

2 基本功能器件
2.1 FPGA的基本介绍
2.1.1 FPGA的流程设计
自上而下的可编程逻辑器件的设计流程如下：
1) 设计准备：主要包括对目标系统的方案论证、器件的选择和模块的划分。

2)设计输入：包括原理图输入方式、波形输入方式和硬件描述语言描述方式。

3)功能仿真：也叫前仿真，不带延时信息的仿真，初步验证设计的逻辑功
能。

4)综合：根据设计的功能和设置的约束条件，将设计代码优化并转换成实际的电路网表。

5)布线：根据网表进行精确的连线，完成网表到实际器件的转换。

6)时序分析：对设计的电路进行时序分析，确认设计是否满足时序要求。

7) 仿真：也叫时序仿真，带有时延信息，准确的判断设计的逻辑功能。

8) 下载测试：通过JATG口将配置文件下载到FPGA中，运用逻辑分析或者示波器调试。

2.1.2 现场可编程门阵列FPGA
FPGA[2]的核心是可编程逻辑模块和寄存器，可编程就是用户不需要修改原有电路板只需要通过编程的方式来改变FPGA内部的布线资源和逻辑功能，就可以定制自己想要实现的逻辑功能。

目前通常的FPGA器件都是基于SRAM工艺的查找表结构（Look Up Table），其实就是一个RAM，SRAM的最大特点就是可以反复的编程，但SRAM工艺制造的FPGA掉电后信息将会丢失，所以必须为FPGA外加一片专用配置芯片EEPROM，系统上电后，配置数据就从专用配置芯片读入到FPGA中，只有配置好后的FPGA才能实现用户定制的工作。

FPGA 的基本结构如图2-1所示。

图2-1 FPGA的基本结构
2.1.3 FPGA运用在视频显示系统中的价值
目前人们更加追求性能优良，轻便小巧的视频显示系统，采用模块化、可编程的FPGA实现视频图像和音频处理的解决方案有效迎合了这样的发展趋势，可编程的解决方案更新方便，开发同类产品成本更低，周期更短，可快速移植，安
全可靠[3]。

利用FPGA来实现视频图像与音频处理有其独特的优越性：
1) 与单芯片数字信号处理（DSP）视频处理方案对比
仅采用DSP器件并不能满足许多视频处理系统的应用需求，反而会增加成本。

相反在利用FPGA的视频处理解决方案中，FPGA能承担更多的控制和运算任务，提高了系统的性价比。

2) 与专用视频处理芯片ASSP器件对比
当今视频标准推成出新周期短暂，ASSP器件一般很难及时支持，而FPGA 强大的现场可编程能力能及时的进行更新，支持更多更高分辨率的新标准，成功避免了更多系统升级遇到的旧系统不可用的风险。

3) 与专用集成电路ASIC处理方案对比
ASIC是全定制的专用集成芯片，不可再编程，它的开发成本和灵活性也不及FPGA，FPGA开发周期一般比ASIC短，同时也降低或者消除了“非重发性工作成本”。

2.2 无线传输技术
模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上（微波发射机，HD-630），通过天线（HD-1300LXB）发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后再通过微波接收机（Microsat 600AM）解调出原来的视频信号。

如果需要控制云台镜头，就在监控中心加相应的指令控制发射机（HD-2050），监控前端配置相应的指令接收机（HD-2060），这种监控方式图像非常清晰，没有延时，没有压缩损耗，造价便宜，施工安装调试简单，适合一般监控点不是很多，需要中继也不多的情况下使用。

其弱点是：抗干扰能力较差，易受天气、周围环境的影响，传输距离有限。

目前，已逐步被数字微波、COFDM、3G、CDMA等取代。

数字微波传输就是先把视频编码压缩(HD-6001D)，然后通过数字微波(HD-9500)信道调制，再通过天线发射出去，接收端则相反，天线接收信号，微波解扩，视频解压缩，最后还原模拟的视频信号，也可微波解扩后通过电脑安装相应的解码软件，用电脑软解压视频，而且电脑还支持录像，回放，管理，云镜控制，报警控制等功能；现在随着数字存储方式的普及，接收下的来的信号可以直接通过NVR存储显示或者直接进存储服务器，配合磁盘阵列存储；这种监控方式图像有720*576、352*288或更高的的分辨率选择，通过解码的存储方式，视频有0.2-0.8秒左右的延时。

数字视频监控价根据实际情况差别很大，但也有一些模拟微波不可比的优点，如监控点比较多，环境比较复杂，需要加中继的情况多，监控点比较集中它可集中传输多路视频，抗干扰能力比模拟的要好一点，等等优点，适合监控点比较多，需要中继也多的情况下使用，客观地讲，前期投资较高。

2.3 OLED介绍
2.3.1 OLED结构及发光原理
OLED类似LED，属于纯固态结构的半导体显示器件，典型的OLED[1]结构如图2-2所示。

图2-2 OLED典型结构
OLED是电流驱动型发光半导体显示器件，属于载流子双注入型发光器件发光原理与OLED类似。

OLED的发光过程如图2-3所示。

图2-3 OLED发光过程
具体过程如下：
1) 当在OLED的两端加上电池或者电源时，将产生正向偏压。

2) 电子和空穴将克服能级势垒，经阴极和阳极形成双注入，即电流从阴极进入阳极，并穿越有机层，阴极向有机分子发射层输出电子，阳极向有机分子传导层输出空穴。

3) 在外部电场的驱动下，电子和空穴被传输到发射层和传导层的界面，因为界面的能级势差，电荷会在此界面累积。

4) 当空穴和电子在有发光特性的有机物质内复合时，形成激子。

5) 处于激发态的激子很不稳定，它的能量将以光子和热的形式进行释放，而回到稳定的基态。

6) OLED发光的颜色取决于发射层有机物质的分子类型，发光亮度则取决于外部电流的大小，驱动电流越大，发光亮度就越高。

2.3.2 OLED产品分类
目前OLED产品主要可以分为以下几种类别：
1) 被动矩阵OLED
PMOLED（Passive Matrix OLED）基本结构类型是阴极层、有机发光层和阳极层构成的三明治结构，其中阴极带和阳极带彼此成90°，它们的交叉点形成发光像素点，驱动电路通过选择对应的阴极带和阳极带选取具体的发光像素点，施加电流使其发光。

图2-3是顶发射的示意图。

图2-4 顶发射OLED结构
2) 主动矩阵OLED（AMOLED）
AMOLED（Active Matrix OLED）与PMOLED最大的区别在于，AMOLED 的阳极层使用了一层有机薄膜晶体管（TFT）阵列，AMOLED的发光像素点由TFT选取决定，TFT阵列需要的电量比PMOLED外部电路的耗费要低，所以
AMOLED比PMOLED的功耗要低，同时相比之下它的刷新频率更高，发光亮度更加均匀，一般用于生产大尺寸的OLED显示设备。

AMOLED示意图如图2-4所示。

图2-5 主动矩阵OLED
3) 柔性OLED（FOLED）
FOLED（Flexible OLED）是目前国际先进实验室最热门的研究课题之一，主要是利用了有机材料本身具有良好的可塑性和可弯曲性，并且可以制作在柔韧性很好的塑料基板和金属箔上。

4) 顶发射OLED
顶发射指阴极是透光的，基板上为具有高反射性的不透明的阳极，顶发射OLED器件相比传统的底发射OLED具有更大的开口率，所以要达到同样亮度的两个OLED器件，顶发射OLED功耗更小。

图2-5是顶发射的示意图。

图2-5 顶发射OLED结构
2.3.3 OLED显示驱动技术
视频本质上就是由一幅幅连续的图像组成，而像素是一幅图像的最小单元，通常是由R、G、B子像素构成，由不同灰度级别的子像素组合在一起，就可以产生所需要的颜色。

显示驱动的目的就是使各个像素点按照图像显示的要求，根据不同的灰度级别进行显示。

OLED 是低压驱动型显示器件，一般在2~10V之间。

同时作为主动发光显示器件，它的发光亮度和驱动电流成正比，所以OLED一般选择恒流源驱动。

OLED的驱动方式的分类有如下几种：按照驱动电路中是否采用薄膜晶体管TFT 技术可以分为被动矩阵驱动方式（Passive Matrix，OLED）和主动驱动方式（Active Matrix，OLED）两类；按照电压极性区分可以分为直流驱动方式和交流驱动方式两类；按照寻址方式的不同可以分为静态驱动方式和动态驱动方式。

下面主要研究目前主流的两大OLED驱动技术：被动矩阵驱动方式和主动驱动方式。

2.3.4 OLED显示技术目前面临的问题
1) 全彩色化显示问题还不能得到非常好的解决，稳定性和可靠性较差。

2) 色彩纯度还不足，同时纯色显示发光器件的使用寿命仍然比较短；
3) 器件老化的发光原理现在还不能得到很好的解释，制作材料成本较高。

4) 量产时良品率较低，开发大尺寸的OLED技术仍热还不够成熟。

2.4 本章小结
本章主要介绍了FPGA、无线传输技术以及OLED，而其中对FPGA的介绍主要讲述了其设计流程，然后是将FPGA应用到显示技术中的背景价值。

随后，简单介绍了无线传输技术，本章对OLED的分类也做了比较详细的对比，对其差别也做了分析。

最后重点详细研究了OLED的结构和原理，以及OLED的驱动技术。

虽然目前这些技术还面临着非常多的问题，但只要我们一步一步的推进，总会得到解决。

3 系统方案设计
3.1 硬件系统设计概述
如图3-1所示，本系统由3部分组成：视频信号输入模块、数据接收模块、核心控制模块。

其中视频信号输入模块由PC机、显卡、CRT和无线发送端构成，实现对视频信号的无线发送。

数据接收模块由无线接收端、DVI-D插口、SiI1161 DVI数据接收芯片和24LC21A芯片构成，实现对视频信号的无线接收和DVI数字信号的解码。

核心控制部分由Cyclone II FPGA构成，一方面完成对数据接收模块提供的图像数据、各种场、行信号的接收，从而将其传输给OLED微显示
器，另一方面完成对OLED微显示器寄存器的控制。

图3-1 无线OLED微显示系统
3.2 OLED微显示器
本设计采用的OLED微显示器是由云南北方奥雷德光电科技股份有限公司生产的SV-GA050SC低功耗主动式OLED微显示器[5]，它是采用具有自主知识产权的顶发射、高效率、硅基主动式OLED技术制备的AMOLED微显示器。

配合适当的光学系统，可获得高品质的大画面显示效果。

该OLED微显示器的硅基板采用0.18μm CMOS工艺制造，集成了全数字
视频信号处理及804×3×604个驱动单元等电路。

可视面积1.27cm(0.5in)，像素尺寸12.6μm×12.6μm，总像素数804(×3)×604。

视频信号输入兼容ITU-RBT。

601/656标准，支持8/16/24位数字视频输入模式，支持逐行隔行扫描，支持MONO/YCbCr/RGB编码，支持PAL/NTSC/SMPTE等格式。

2线串行编程接口通过内部256个可编程随机静态存储器（寄存器）的读写操作，可实现显示模式、显示方向、显示位置、亮度、对比度、色度、伽玛矫正，双目3D等功能的控制和调整。

接口电平兼容1.8～3.3vCMOS标准[7]。

可广泛应用于各种微型化、高分辨率、低功耗和宽工作温度范围的近眼显示系统中。

其中，数字视频信号接口包含3个8位RGB数据总线通道，以及额外的行(HS)/场(VS)同步信号、数据有效信号(DE)、像素时钟信号(VCLK)，信号时序如图3-2所示。

图3-2 24位bits RGB信号时序图
3.3 无线传输模块
无线家庭数字接口(Wireless Home Digital Interface,WHDI)设定了一个无线高清晰度视频连接的新标准。

它提供了一个高品质，无压缩的无线连接方式。

其采用的MIMO技术和OFDM的调制方式能够实现高达3Gbit/s的传送速率。

工作在4.9~5.875GHz频段，20MHz或40MHz通道，符合全球5MHz频谱规定，范围是30m之内，可穿透墙壁，并且延迟小于1ms。

本设计采用的无线传输模块是由EDUP公司生产的EP-WH3589低功耗低热量的无线传输模块，其采用WHDI 作为核心技术。

支持多种视频格式，例如VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024) 等；能够即时传输无线高清视频；支持最大100kbit/s的反向回传通道支持视频HDMI接口，最大支持1080P60Hz；支持HDMI1.3、HDCP1.2协议；支持EDID功能；支持点对点传输功能，可扩展到点对多、多对多传输功能。

3.4 本章小结
本章的主要工作就是硬件系统的设计，完成了整个无线OLED微显示系统的工作原理图，随后又分别介绍了其中的OLED显示器具体参数以及在系统中的作用，最后就是对系统中的无线传输模块做具体介绍
4 主控制器的设计
4.1 主控器硬件结构
如图4-1所示，显卡产生的数字信号由无线接收端传输给接收器。

DVI接收芯片采用Silicon Image公司的SiI1161芯片，最大可接收24位真彩色数据量，最高频率达到165MHz。

DVI信号接收芯片的功能是:将从DVI接口中输出的TMDS信号解码为像素时钟信号CLK、RUB数据、行同步信号HSYNC、场同步信号VSYNC、使能信号DE以及控制信号CTL等，为后端处理电路提供数据输入。

图4-1 主控制器硬件结构
芯片24LC21A保存DVI显示设备的EDIL数据，扩展显示标识数据，即显示器通过DDC传输给电脑主机的标准数据信息，显示卡通过DDC(显示数据通道)以IIC协议从该芯片上读出显示设备的设置信息。

FPGA一方而接收DVI信号经SiI1161的解码数据，直接将24位RUB数据，行同步信号HSYNC，场同步信号VSYNC和使能信号DE传输给(OLED微显示器。

另一方而，FPGA通过访问OLED微显示器2线串行编程接口[8]，从而控制内部256个可编程随机静态存储器(寄存器)的读写操作。

FPGA采用Altera公司Cyclone II系列中的EP2C8Q208C80 EP2C8Q208C8拥有8256个逻辑单元，1.1 Mbit、内部RAM,150个18×18乘法器，4个PLI二环和85个I/O接口，最高数据率可以达到260Mbit/s，完全满足本系统要求的60MHz的系统时钟需求。

与其他FPGA产品不同，Cyclone II FPGA性能提高了6000，同时功耗降为原来的一
半，非常经济实用。

4.2 OLED微显示器的驱动与控制模块
在设计时本文采用硬件描述语言，Verilog进行前端设计，使用Modelsim进行设计代码的静态时序仿真，使用ALTERA公司的Quartus IIv8.1 FPGA开发环境做综合和下载。

整个开发设计的基本流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证和下板调试等主要步骤。

本设计所使用的OLED微显示器采用SV-GA 800×600 @60 Hz的逐行扫描视频信号模式，其行同步为37.879 kHz，场同步为60.317 Hz，像素时钟信号为40 MHz。

因此，驱动模块可以直接将解码后的24位RUB数据，行同步信号HSYNC，场同步信号VSYNC和使能信号DE传输给OLED微显示器，同时提供40 MHz的像素时钟信号给OLED微显示器[9]，从而完成OLED微显示器的驱动和视频信号的输入。

本设计所使用的OLED微显示器采用2线串行编程接口进行内部256个寄存器控制，该两线串行接口兼容IIC标准，IIC总线是一种由PHILPS公司开发的芯片间串行传输总线，它以两根连线实现了完善的全双工同步数据传送。

因此，控制模块可以通过访问2线串行编程接口，从而完成对OLED微显示器寄存器的读写操作。

控制模块由数据存储部分和数据写入部分构成，数据存储部分用于存储IIC 主地址、寄存器地址以及寄存器数据，数据写入部分用于写入相应的数据。

本文所设计的控制模块采用寄存器地址连续写入和寄存器特定地址写入两种方式。

控制模块由输出信号SCI(通信速率)和输入输出信号SDA(数据)完成了对微显示器寄存器的读写操作[10]。

表4-1列出了3个主要控制的显示器寄存器。

表4-1 显示器寄存器
在系统上电逻辑电路开始工作后，首先会完成对OLED微显示器相关寄存器的写操作。

其次，从电脑显卡中读取图像数据[12]，通过无线传输模块传输给主控制器。

最后，完成OLED微显示器的显示与驱动。

驱动与控制模块内部结构如图4-2所示。

图4-2 驱动与控制模块内部结构
4.3 系统测试
软件仿真是在EDA软件环境中[11]，模拟硬件产生测试信号，对编写的代码进行测试，通过观看时序波形或者数据报告文件来判断综合后的软件逻辑是否正确，主要用于在各个分散的模块之间的波形仿真。

在系统的设计过程中，采用QUARTUS8.1软件作为前端的软件仿真;功能测试中我们将整个系统组合起来采用软件仿真和下载到FPGA相结合的方式进行测试;综合验证则是通过EDA综合工具将HDI二代码结合库文件综合成门级描述，然后将综合结果在软件中做最后的验证。

OLED控制模块仿真波形如图4-3所示，由图可见SCL二和SDA满足IIC的时序要求。

图4-3 OLED控制模板仿真波形
4.4 本章小结
本章着重介绍了主控制器的硬件结构，设计出了主控制器的硬件原理图以及用到的各种器件参数，在此基础上，也对OLED微显示器的驱动控制模块内部结构进行了介绍。

还给出了显示器寄存器的具体参数，最终在仿真软件EDA的软件环境中，模拟硬件产生测试信号，对编写的代码进行测试
驱动与控制模块
OLED控制
数据存储数据写入
OLED驱动
CLK
HS
VS
RGB
LE
启动标志
CLK
HS
VS
RGB
DE
VCLK
SDA
SCL
结论
本文是基于FPGA实现的OLED微显示系统，旨在分析OLED微显示的驱动原理，研究如何利用高集成度功能强大的现场可编程门阵列FPGA来实现OLED微显示。

为了实现这个目标，我们利用FPGA EP2C8Q208C8来作为核心控制器件，在分析SVGA050SC OLED微显示器与EP-WH3589无线传输模块的电气特性的基础上，设计了主控制器和OLED微显示器的驱动与控制模块，这样就完成了整个无线OLED微显示器系统的设计。

该系统实现了高清图像的实时传输和显示，成功解决了传统微显示器系统中的各种问题，具有广阔的应用前景。

OLED显示技术正在飞速发展，对OLED显示技术的研究更是进行得如火如茶，由于论文研究的时间有限，本系统的研究也只是初步，以下是还需进一步完善的地方:
本系统只使用了FPGA作为核心处理器，它不仅要做系统控制而且还承担了一部分算法的工作，原因主要是因为本系统对算法的要求不高，并且处理的算法也比较简单，但是实际应用中视频数据的算法大多既复杂，处理的数据量又非常庞大，单一的使用FPGA来实现既不经济也非常困难，而DSP目前最擅长处理运算工作，所以对于高要求的视频处理技术可以使用FPGA做控制，DSP承担运算处理工作，这样既经济又高效，当然目前很多FPGA自带DSP内核，但是价格往往很昂贵，对于追求低成本的开发来说是不划算的。

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