光电工程  2019, Vol. 46 Issue (6): 1      DOI: 10.12086/oee.2019.180623     
电润湿电子纸的实时动态显示驱动系统实现
钱明勇1 , 林珊玲1 , 曾素云1 , 林志贤1 , 郭太良1 , 唐彪2     
1. 福州大学物理与信息工程学院,福建 福州 350116;
2. 华南师范大学广东省光信息材料与技术重点实验室,广东 广州 510006
摘要:为了实现电润湿电子纸显示器实时播放视频,本文设计了DVI视频图像编解码系统加上FPGA时序控制的显示驱动系统。DVI系统负责获取信号源并进行图像编解码,FPGA负责视频图像数据的缓存处理以及驱动波形的控制。本文提出的多灰度动态对称驱动波形,可改善油墨分裂现象,并且在增加灰度等级的同时抑制电荷捕获现象。实验表明:该系统成功改善了油墨分裂、电荷捕获等问题,成功驱动1024x768分辨率的电润湿显示器跟随PC端进行实时视频播放,视频的帧率达到60帧/秒,像素的最高灰度达到15阶,满足电润湿电子纸动态显示视频的要求。
关键词电润湿电子纸    显示驱动系统    实时    FPGA    DVI    
Real-time dynamic driving system implementation of electrowetting display
Qian Mingyong1, Lin Shanling1, Zeng Suyun1, Lin Zhixian1, Guo Tailiang1, Tang Biao2     
1. College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350100, China;
2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Information Materials and Technology, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong 510006, China
Abstract: In order to achieve electrowetting real-time display, a display driving system, consisting of a DVI video codec system and FPGA timing control system, is designed. DVI video codec system is responsible for obtaining signal sources and for image coding and decoding. FPGA is responsible for buffering and processing of video data and for controlling electrowetting driving waveforms. This paper also proposes an improved multi-grayscales dynamic symmetrical driving waveform, which improves the ink-splitting phenomenon and suppresses the charge-trapping phenomenon while increasing the gray level. The results show that the driving system successfully improves the problems of oil-splitting and charge-trapping, and drives the 1024x768 resolution electrowetting display to play video in real time following the computer. The frame rate of the video reaches 60 frames/second, and the highest gray level of the pixel reaches 15. These properties meet the requirements for dynamic display of the electrowetting paper.
Keywords: electrowetting display    display driving system    real-time    FPGA    DVI    

1 引言

2003年荷兰皇家飞利浦公司提出了基于电润湿的显示技术[1],自此电润湿电子纸显示技术开始逐渐发展并在显示领域中占有一席之地。与传统的电泳电子纸显示器(electrophoresis electronic paper display, EPD)相比,电润湿电子纸显示器(electrowetting display,EWD)的响应速度快[2],可实现动态视频的播放。除此之外,电润湿显示器是反射型显示器,无需背光源,利用环境光就可以进行显示,经常在阳光下使用的电子仪器设备更加适合使用电润湿显示面板;电湿润显示器还具有便携轻薄、柔性、高对比度和低功耗等优点[3]。虽然针对电润湿的研究已经取得了较大的进展,但仍然存在许多问题未得到解决,例如电荷捕获[4]、油墨分裂、双稳态不稳定等[5]。此外,国内外的研究机构主要是针对电润湿的专用驱动波形和显示机理的研究,很少研究可实现实时动态播放多灰度视频的电润湿电子纸整机驱动系统。

在本文中,我们设计了一套完整的电润湿电子纸驱动系统,可以实现实时动态播放多灰度视频,并且提出了一种新的多灰度动态对称驱动波形,可有效改善油墨分裂现象,并且在增加灰度等级的同时抑制电荷捕获现象。

2 电润湿电子纸基本原理

电润湿电子纸显示器的像素单元结构如图 1所示,电润湿电子纸显示器主要由上下基板(ITO玻璃)、油墨、水、疏水涂层、像素墙等几部分组成。电润湿显示的基本原理就是利用界面电荷对界面张力的影响,改变液滴的接触角,使液滴实现收缩或扩张,从而实现光学开关[6]的作用。图 1(a)像素电极上没有施加驱动电压时,油墨均匀地在绝缘介质表层展开,像素单元呈现油墨颜色的全暗状态,即像素处于“关闭”状态,此时油墨平铺时的俯视图如图 1(c)所示;图 1(b)则是在像素电极施加驱动电压时,油墨开始收缩,不再铺满整个像素格,而是在驱动电压和表面张力的作用下向一侧缩成油滴状,像素单元呈现出反射基板颜色的白色状态,即像素单元处于“打开”状态,此时油墨收缩时的俯视图如图 1(d)所示。油墨收缩和铺开的程度由上下基板间的驱动电压决定,驱动电压越大油墨收缩程度越大,反之则越小。因此,在基板上施加不同的驱动波形,显示单元中可实现不同程度的灰阶亮度[7]

图 1 电润湿电子纸的像素单元结构图。(a)无电压;(b)施加电压;(c)无电压俯视图;(d)施加电压俯视图 Fig. 1 Pixel structure of EWD.(a) No voltage; (b) Appling voltage; (c) Overlook view of no voltage; (d) Overlook view of appling voltage
3 电润湿电子纸驱动系统框架

电润湿电子纸驱动系统工作框图如图 2所示。DVI视频图像编解码系统主要负责获取多种分辨率的优质信号源和图像编解码,FPGA时序控制系统则负责视频图像数据的读取和缓存处理,以及电润湿驱动波形时序的控制。驱动器部分主要包括栅极驱动器和源极驱动器,通过栅源驱动器的控制将FPGA端处理完成的视频图像数据显示在电润湿显示器上。

图 2 驱动系统工作框图 Fig. 2 Working diagram of driving system

驱动系统实物图如图 3所示。DVI视频图像编解码系统可实现各种分辨率视频的获取,视频源来自于PC端,无需将视频源进行存储,操作简单方便;而FPGA因其强大高速的数据并行处理能力,可轻松实现各种分辨率视频图像数据的缓存和处理,电润湿专用的驱动波形也由FPGA产生控制,无需任何其它的波形发生器设备就能实现电润湿视频的实时动态播放,更加有利于将本文的驱动系统开发成独立的便携式整机设备。

图 3 驱动系统实物图 Fig. 3 Practicality picture of driving system
4 电润湿电子纸驱动系统方案 4.1 DVI视频图像编解码系统

DVI视频图像编解码系统主要负责多种分辨率信号源的获取并进行视频图像编解码,双链路DVI[8]启用了两组数据传输通道进行通信,图像传输的最高像素时钟可达到330 MHz,最高可支持2560x1600分辨率的视频图像,可实现超高分辨率视频图像数据的传输。DVI视频图像编解码系统可根据电润湿电子纸显示器的色深、分辨率、刷新率等显示信息来确定启用DVI单链路或双链路。

DVI视频解码系统主要包括计算机PC端,带DVI接口的计算机显卡,DVI解码芯片。计算机PC端产生各种分辨率的高质量信号源,计算机显卡作为信号的发送端,TMDS发送端[9]接收从DVI接口传输过来的24位RGB并行数据,并对这24位的RGB并行数据进行转换和编码,然后将转换后的RGB数据分配到各自独立的数据传输通道进行发送。TMDS为最小化传输差分信号,将数据通过差分传动方式进行传输,数据的传输速度快,可靠性强。DVI单链路最高只提供24位色深,当用户屏幕的色深超过24位时,系统会启动DVI双TMDS链路,24位信息从链路0传输,链路1传输其它颜色信息。当用户屏幕的分辨率和刷新率超出TMDS单链路的传输范围时(单链路的最高像素时钟仅为165 MHz,用户屏幕分辨率为2560x1600时则超出了单链路的传输能力),系统会启动双链路进行奇偶传输,奇数像素信息从链路0传输,偶数像素信息从链路1传输。因此DVI视频图像编解码系统可根据电润湿电子纸显示器的显示信息来确定TMDS的启用情况。DVI解码芯片作为数据的接收端,将接收到的图像数据解码后通过LVDS接口发送给FPGA时序控制系统。DVI视频图像编解码系统的工作流程图如图 4所示。

图 4 DVI视频图像编解码系统工作流程图 Fig. 4 Working flow chart of DVI video image codec system
4.2 FPGA时序控制系统

FPGA时序控制系统负责缓存处理DVI视频图像编解码系统传输过来的视频图像数据,以及电润湿驱动波形时序的控制。主要包括了数据接收处理模块、数据缓存处理模块、TCON时序控制模块。

4.2.1 数据接收模块

DVI视频图像编解码系统和FPGA端通过低压差分信号(low voltage differential signal,LVDS)技术接口进行数据传输[10]。在DVI端的LVDS发送器将DVI视频图像编解码系统输出的TTL电平并行RGB数据信号和控制信号转换成低电压串行LVDS信号,然后通过柔性电缆(FPC排线)将信号传输到LVDS接收器,LVDS接收器再将接收到的串行信号转换为TTL电平的并行信号。因此需要编写相对应的数据接收模块来接收控制信号及24位RGB数据。数据接收模块具体的算法流程图如图 5所示。

图 5 数据接收模块算法流程图 Fig. 5 Data receiving module algorithm flow chart

数据接收模块需要控制操作的信号主要有24位RGB数据信号、垂直同步信号VS、水平同步信号HS、数据使能信号DE、像素时钟信号odck、乒乓切换信号RAM_GW。在低电平复位时,场计数器VS_CNT、行计数器HS_CNT、数据使能计数器DE_CNT清零。VS_CNT在输入的VS信号下降沿计数,DE_CNT则在DE信号有效时计数。VS信号有效时表示一帧数据的开始,HS、DE信号均有效时在odck时钟的上升沿获取24位RGB数据DATA_REG到RAM1缓存中,当RAM_GW乒乓信号切换后,则将RAM_GW数据缓存到RAM2缓存中,以此完成视频数据的接收。

4.2.2 数据缓存处理模块

本文在PC端输出的视频源的分辨率为2560x1600,而电润湿电子纸显示屏的分辨率为1024x768。因此,本文采用双线性插值算法对接收到的数据进行缩放[11]。如图 6所示,找到像素点P邻近的4个像素点Q11Q12Q21Q22,再根据这4个点与P点距离的关系得到权重值,最后根据式(1)计算出图像中P点的像素值,f(x, y)为在(x, y)点上的像素值。因此,要将2560x1600分辨率的数据缩放到1024x768分辨率,每一个选取的像素都选取其周围的四个像素点进行计算,产生的3x3的窗口模板需要用到3行图像数据,需要对这3行数据进行缓存处理。

$ \begin{array}{c} P(x, y) = \frac{{f({x_1}, {y_1})}}{{({x_2} - {x_1})({y_2} - {y_1})}}({x_2} - x)({y_2} - y)\\ + \frac{{f({x_{\rm{2}}}, {y_1})}}{{({x_2} - {x_1})({y_2} - {y_1})}}(x - {x_{\rm{1}}})({y_2} - y)\\ + \frac{{f({x_1}, {y_{\rm{2}}})}}{{({x_2} - {x_1})({y_2} - {y_1})}}({x_2} - x)(y - {y_{\rm{1}}})\\ + \frac{{f({x_{\rm{2}}}, {y_{\rm{2}}})}}{{({x_2} - {x_1})({y_2} - {y_1})}}(x - {x_{\rm{1}}})(y - {y_{\rm{1}}})。\end{array} $ (1)
图 6 双线性插值算法窗口 Fig. 6 Bilinear interpolation algorithm window

具体的算法流程图如图 7所示。数据接收模块在行控制模块控制下将数据分行缓存到RAM1和RAM2中,RAM1和RAM2中分别存储了3行图像数据。以RAM1为例,再将RAM1中的3行数据再分开缓存至缓存器1、缓存器2和缓存器3中,把3行数据送入双线性插值模块计算处理,最后将处理完后的数据存储到外部SRAM中。

图 7 数据处理模块算法流程图 Fig. 7 Data processing module algorithm flow chart

由于一幅图像的数据量较大,内部RAM无法存储这么大的数据量,因此本文采用了两片外部SRAM存储经双线性插值算法处理后的图像数据。两片外部SRAM通过乒乓缓存机制存储图像数据,切换信号则采用输入的VS场同步信号进行控制,乒乓缓存后,将经双线性插值算法处理后的图像数据发送给后级驱动芯片进行显示,播放视频的帧率可达到60帧/秒,满足播放视频无闪烁感的要求。

4.2.3 TCON时序控制模块

TCON时序控制模块是整个系统中最为关键的部分,它读取内存中的视频图像数据,再根据相应的驱动波形查找表,将视频图像数据转换成对应的驱动电压控制电润湿屏幕显示。电润湿电子纸显示器是有源矩阵,屏幕上的每一个像素都是独立的显示单元,由栅源控制器共同控制显示。栅极控制器控制TFT的行开启,而源极控制器则控制该行数据的写入。当栅极控制器控制某一行打开时,根据相应的图像数据与驱动电压之间的查找表,源极控制器产生该行上所有像素点对应的驱动电压,驱动电压作用于每一个像素点上。由于每个像素点上施加的驱动电压不同,油墨的收缩程度也不相同,最后在电润湿电子纸屏幕上呈现出多灰度的视频图像。

本文采用的是ULTRACHIP公司的驱动芯片,其内部集成了源极控制器、栅极控制器、内存等模块。该驱动芯片通过并行接口与外部进行数据通信,实现芯片的上电开启、查找表的设置、电润湿显示屏分辨率设置等功能。具体的工作流程图如图 8所示。在设置电源时序上电后,设置像素数据与驱动之间的查找表和显示帧率,根据乒乓切换信号选择发送SRAM1或SRAM2中经过处理后的视频图像数据至驱动芯片内部RAM,刷新命令则是控制栅源控制器将内部RAM的图像数据显示到电润湿屏幕上,循环发送显示就实现了动态视频的播放。

图 8 TCON模块工作流程图 Fig. 8 Working flow chart of TCON module
4.3 驱动波形设计

电润湿显示器存在电荷捕获的现象,当在像素电极上持续施加电压时,水中的离子由于静电力而向绝缘体移动,一些离子进入绝缘体并被捕获,被捕获的离子通过等待或施加特殊的驱动波形而被放电,否则油墨不能完全铺开,电荷泄露将导致电润湿显示器关闭时间变慢[12],如图 9所示。因此需要设计一个能精准调制灰度并且能实现高质量图像显示的驱动波形。

图 9 电润湿显示器电荷捕获现象图 Fig. 9 Charge-trapping phenomenon of the EWD

电润湿电子纸显示单元的灰度由施加在该单元上的驱动电压的大小及持续时间决定。如图 10所示的是9阶灰度动态非对称驱动波形[13],在像素公共电极上施加固定的+15 V电压,并增加了-15 V和0 V两种驱动电压,则在+15 V,-15 V,0 V三种驱动电压下4个子帧一共可产生9种不同的电压组合状态,即可以实现9阶灰度。每个子帧的持续时间均为17 ms,复位帧的作用是用来使油墨回到初始的油墨平铺状态[14]

图 10 9阶灰度动态非对称驱动波形图 Fig. 10 Dynamic asymmetrical driving waveform for gray level 9

9阶灰度动态非对称驱动波形实现较为简单,因此灰度较低。如图 11所示的是动态非对称不等子帧驱动波形,在普通驱动波形的基础上又增加了一个子帧,并且将子帧4和子帧5内继续划分为4个短子帧,这样在基本保持视频不闪烁的情况下,可以实现16灰阶的灰度。但由于电润湿面板的自身特性,像素的打开状态持续4个子帧周期会容易出现电荷捕获现象,无法实现灰度的精准调制。

图 11 动态非对称不等子帧驱动波形图 Fig. 11 Dynamic asymmetric unequal sub-frame driving waveform

本文在此基础上提出了一种新的多灰度动态对称驱动波形,能够实现多阶灰度的同时,还能抑制油墨分裂和电荷捕获现象。驱动波形如图 12所示,预置帧中分成了3个短子帧,并且让驱动电压逐渐增大(公共电极的电压保持为+15 V),用于降低稳定油墨运动所需的瞬时静电力,可有效抑制油墨分裂[15]。而在显示帧中,采用了5个子帧来显示图像。5个子帧的驱动波形是对称的,后面2.5个子帧重复前面2.5个子帧的波形,这样仍然能实现5个子帧的普通驱动波形对应的灰度,但却能大幅降低连续4个子帧均处于打开状态的概率,很大程度上改善了电荷捕获现象。本文设计的驱动波形对应的最高灰度并非让所有子帧时间都处于-15 V的打开状态,而是在5个子帧的其中一个子帧内处于关闭状态,这样进一步抑制了电荷捕获现象,使得图像质量更高、更清晰。最终本文提出的多灰度动态对称驱动波形最高能够实现15阶灰度。

图 12 动态对称驱动波形图 Fig. 12 Dynamic symmetric driving waveform
5 实验结果

图 13是在示波器下测得的系统实际的场同步信号和行同步信号,场同步信号为60.24 Hz,行同步信号为48.55 kHz,均符合系统要求。图 14是采用9阶灰度驱动波形和多灰度动态对称驱动波形在显微镜下的油墨状态图。图 14(a)在采用普通驱动波形下,可以观察到严重的油墨分裂现象。图 14(b)则在采用本文的多灰度动态对称驱动波形下,基本消除了油墨分裂现象,提高了图像质量。

图 13 系统同步信号波形图。(a)场同步信号;(b)行同步信号 Fig. 13 System synchronization signal waveform.(a) Field sync signal; (b) Line sync signal

图 14 两种驱动波形下的油墨状态图。(a)油墨分裂图;(b)油墨未分裂图 Fig. 14 Ink state between two kinds of driving waveforms.(a) Oil split diagram; (b) Oil unsplit diagram

图 15是采用两种驱动波形下的显示对比效果图。图 15(a)是在采用9阶灰度驱动波形下实现的9阶灰度图,对比图 15(b)采用多灰度动态对称驱动波形实现的15阶灰度图,可以看出后者的图像细节更加清晰,图像质量更好。图 16是采用ARGES公司的亮度计在两种驱动波形下测得的响应曲线图。在9阶灰度驱动波形下,油墨的关闭时间约为15 ms,在多灰度动态对称驱动波形下,油墨的关闭时间约为9 ms,关闭时间减小了约40%,油墨捕获现象得到改善。

图 15 两种不同驱动波形下的显示对比图。(a) 9阶灰度图;(b) 15阶灰度图 Fig. 15 Visual contrast between two kinds of driving waveform.(a) 9 grayscales image; (b) 15 grayscales image

图 16 两种不同驱动波形下的响应曲线图。(a) 9阶灰度驱动波形;(b)多灰度动态对称驱动波形 Fig. 16 Response time between two kinds of driving waveforms.(a) 9 grayscales driving waveform; (b) Multi-grayscales dynamic
6 结论

本文提出了适用于电润湿电子纸显示器的DVI视频图像编解码系统加上FPGA时序控制的驱动架构,成功实现了1024x768分辨率的电润湿电子纸显示器以60帧/秒的帧率实时动态播放15灰阶的视频。本文提出的多灰度动态对称驱动波形,在提高灰度等级的同时抑制了油墨的分裂和电荷捕获现象,使得视频图像显示更加清晰,质量更高,大大增强了该驱动系统在电润湿电子纸显示器上的适用性。

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