OLED微显示器

OLED微显示器（精选8篇）

OLED微显示器 第1篇

IIC是Philips公司开发的一种用于芯片间通信的串行传输总线,它由串行时钟线SCL和串行数据线SDA完成全双工数据传送。IIC最主要的优点是其具备简单性和有效性。其次，由于接口直接在组件上，IIC占用的空间非常小，同时其连线也少。

本文通过利用Verilog语言，采用模块化设计思想[3]，设计了基于FPGA的OLED微显示器的IIC接口的IIC控制模块，该控制模块包括写数据存储模块、读数据存储模块、数据读写模块，从而准确而有效地完成对OLED微显示内部寄存器的读写操作。

1 IIC接口的控制方案

1.1 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SVGA050SC低功耗主动式OLED微显示器，内部共有256个寄存器，通过IIC接口，可对其进行读写操作，从而可实现对OLED微显示器显示模式、显示方向、显示位置、亮度、对比度、色度、伽玛矫正等的控制和调整。主要寄存器如表1所示。

1.2 OLED微显示器IIC接口的基本原理

IIC能以双向数据线(SDA)和时钟线(SCL)实现完善的全双工同步数据传送[4]。工作时，SDA和SCL必须通过外部控制器经电阻上拉至1.8 V/3.3 V电源。OLED显示器只能作为从机使用，所有读/写操作必须由主机来实现。

1.3 控制方案概述

通过对OLED微显示器及IIC接口的分析，基于FPGA设计了OLED微显示器IIC接口的IIC控制模块，如图1所示。该控制模块包括写数据存储模块、读数据存储模块和数据读写模块。写数据存储模块用于存储从机地址、寄存器地址以及寄存器写入数据，读数据存储模块用于存储从机地址、寄存器地址以及寄存器读入数据，数据读写模块用于读写相应的数据。

FPGA采用Altera公司Cyclone II系列中的EP2C8-Q208C8。EP2C8Q208C8拥有8 256个逻辑单元、1.1 Mbit内部RAM、150个1818乘法器、4个PLL环和85个I/O接口，最高数据率可以达到260 Mb/s，完全满足本系统要求的60 MHz系统时钟需求。与其他FPGA产品不同，Cyclone II FPGA性能提高了60%，同时功耗降为原来的一半，非常经济实用[5]。

2 IIC控制模块设计

2.1 写数据存储模块

写数据存储模块由reg型数据存储8 bit数据，包括从机地址加写标志位，由memory型数据构成寄存器存储器和写入数据存储器，每一个存储单元大小为8 bit，用于存储寄存器地址和寄存器写入数据，存储单元的数量可以根据需要自行定义。

自定义的存储单元的数量决定了寄存器存储器和写入数据存储器的大小。写数据存储模块内部有一个与数据读写模块通信的计数变量，通过改变计数变量，可将寄存器存储器中新的地址和写入数据存储器中新的数据传输给读写数据模块。图2为写数据存储模块。

2.2 读数据存储模块

读数据存储模块由reg型数据存储8 bit数据，包括从机地址加读标志位，由memory型数据构成寄存器存储器和读入数据存储器，每一个存储单元大小为8 bit，用于存储寄存器地址和寄存器读入数据，存储单元的数量可以根据需要自行定义。

自定义的存储单元的数量决定了寄存器存储器和读入数据存储器的大小。读数据存储模块内部有一个与数据读写模块通信的计数变量，通过改变计数变量，可将寄存器存储器中新的地址传输给读写数据模块，并将从读写数据模块传回的寄存器数据存储到读数据存储器中。图3为读数据存储模块。

2.3 数据读写模块

数据读写模块是IIC控制模块中最为重要的部分，对OLED微显示内部寄存器的读写操作主要由其完成。数据读写模块的设计主要包括SCL的设计以及状态机的设计。图4为数据读写模块。

本设计采用的时钟源频率为40 MHz，由于SCL的频率要求在100 kHz～1 MHz范围内，本设计将时钟源进行100分频，因此SCL的频率设定为400 kHz。考虑到IIC起始、读写以及停止的时序要求，将SCL的时钟周期平均分为上升沿、高电平、下降沿和低电平4个状态。在上升沿状态或下降沿状态时，设定SCL=1或SCL=0，而在高电平状态或低电平状态时，SDA才允许进行数据变化，这样就能保证SDA进行数据变化时SCL已经处于高电平或者低电平状态，从而能够避免SDA与SCL同时经历上升沿或下降沿而带来的时序功能不确定性的问题。

为了实现对OLED微显示器内部寄存器的读写操作，本设计采用两个状态机：一个写状态机，一个读状态机。读/写状态机由外部按键进行切换。

写状态机由空闲状态、起始状态、从机地址传输写状态、响应1状态、寄存器地址传输状态、响应2状态、数据传输状态、响应3状态、中间停止返回状态以及最终停止状态构成。在从机地址传输写状态、寄存器地址传输状态及数据传输状态中，当SCL处于低电平状态时，SDA随着计数器在0～7范围的逐次增加而改变，直到传输完8 bit数据。在响应状态中，由于SDA的三态设置，此时将SDA置于高阻状态，从而响应从机的应答。同时，写状态机设置有计数变量，计数变量随着写状态机循环次数的增加而增加。状态之间的切换如图5所示。在计数变量小于等于设定写入次数时，数据读写模块向OLED微显示器的内部寄存器写入数据。

读状态机由空闲状态、起始状态、从机地址传输写状态、响应1状态、寄存器地址传输状态、响应2状态、重新起始状态、从机地址传输读状态、响应3状态、数据传输状态、响应4状态、中间停止返回状态以及最终停止状态构成。其中读状态机中从机地址传输写状态、寄存器地址传输状态、从机地址传输读状态以及响应状态与写状态机中的相应状态类似。不同的是，在数据传输状态中，在SCL处于高电平状态时，通过将SDA置于高阻状态，把OLED微显示器寄存器的数据逐位传输给8 bit的寄存器，然后传递给读数据存储模块。读状态机的状态切换如图6所示。同样，在读状态机中也设有计数变量，当计数变量小于等于设定读入次数时，OLED微显示器寄存器的数据通过读写数据模块传输给读数据存储模块。

2.4 IIC控制模块

通过对写数据模块、读数据模块以及数据读写模块的设计，完成了IIC控制模块的设计。IIC控制模块的原理图如图7所示。

3 IIC控制模块仿真及测试

软件仿真在EDA软件环境中进行，通过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Quartus 8.1软件作为前端的软件仿真;功能测试中将整个系统组合起来采用软件仿真并下载到FPGA进行测试;综合验证则是通过EDA综合工具将HDL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[6]。IIC控制模块的写仿真波形如图8所示。

通过IIC控制模块对OLED微显示寄存器进行读写操作，实现了OLED微显示器内置图像的显示。图9为OLED微显示内置图像。

FPGA EP2C8Q208C8作为核心控制器件，在分析SVGA050SC OLED微显示器和IIC接口的基础上，利用Verilog语言，采用模块化设计思想，设计了基于FPGA的OLED微显示器的IIC接口的IIC控制模块。该控制模块对于OLED微显示器寄存器的控制提供了较好的解决方案，降低了控制的复杂度，并且系统稳定，执行效率较高。

摘要：OLED微显示器作为一种新兴的微显示器,具有众多优点。鉴于OLED微显示大多采用IIC接口,利用Verilog语言,采用模块化设计思想,设计了基于FPGA EP2C8Q208C8的OLED微显示器的IIC接口的IIC控制模块,该控制模块包括写数据存储模块、读数据存储模块、数据读写模块,从而准确而有效地实现了对OLED微显示内部寄存器的读写操作。

关键词：OLED微显示器,模块化设计,FPGA,IIC接口

参考文献

[1]应根裕,胡文波,邱勇,等.平板显示技术[M].北京:人民邮电出版社,2002.

[2]金阳.数字视频和OLED微显示技术[J].科技创新导报,2011,27(1):11-12.

[3]吕国亮,赵曙光,赵俊.嵌入式逻辑分析技术及其在FPGA系统开发中的应用[J].液晶与显示,2007,22(2):227-231.

[4]张家会,熊先越,曹丽珍.基于FPGA的I2C总线设计[J].光通信技术,2011,9(1):40-41.

[5]王鸣浩,吴小霞.基于FPGA的通用液晶显示控制器的设计和实现[J].液晶与显示,2012,27(1):87-92.

三菱电机展示大屏幕OLED显示器 第2篇

三菱电机在CEATEC上展示的这款OLED显示器尺寸为1922mm×3456mm，由720个分立的0LED显示模块构成，这些模块无缝拼接成一个1152像素×640像素的连续屏幕表面。该显示器屏幕的像素间距为3mm、光输出量为1200cd／m² ，因此当从2m以外的距离观看时，图像轮廓清晰、色彩鲜明。

显示器的每个像素均由一个阳极和一个阴极组成，阴极和阳极之间有一层有机薄膜。此项由三菱电机开发的生产工艺造就了OLED模块的厚度薄、重量轻且制造成本低的诸多优势。特别研发的驱动电子设备和精密设计的面板结构，使得显示器在保持轻薄的同时，实现了高分辨率、高亮度和高对比度。OLED为自发光式，无需背光，因而OLED比LCD更为节能，但光输出却为LCD的三倍以上。三菱显示系统的模块化结构意味着显示器实际上可制成任意尺寸或形状，甚至包括曲面和成直角的平面。在过去被认为是不切实际的空间和场合，如今也可构建显示器。

三菱电机在cEATEC上展示的这款OLED大屏幕样机，预示着OLED显示技术大型显示系统时代的来临。 三菱电机可扩展OLED显示器的主要优点：

1形薄、质轻且功能多样化：整个显示器仅厚81.5mm，比室内使用的Diamond vjsion LED系统薄25％。该显示器质轻和模块化结构的特点意味着可安装到任意形状的墙体上，包括曲面和成直角的平面。

2可无缝拼接和扩展成各种尺寸与形状：鉴于可见屏幕边缘无法消涂的事实，采用传统的LCD或等离子技术无法将小屏幕拼接成连续的大屏幕。而三菱的OLED模块真正实现了无边缘化，因此可构建出任何形状的屏幕(如竖屏或超宽屏)。

3亮度和对比度高，在明亮的环境中也可呈现清晰图像：一台LCD显示器的亮度约为500cd／m² 。而在CEATEC上展示的OLED显示器屏幕的亮度则高达1200cd／m²，因此适合在室内亮度相对较高的区域(如橱窗或玻璃顶前厅)用作数字标牌，并且由于该显示器无背光，因此其黑色电平性能(对比度)明显优于LCD。

三菱晶瑞联袂参展Infocomm China

2009年11月9日～11日。2009年中国国际视听集成设备与技术展(lnfocommChina)在北京农业展览馆举行。三菱电机与其合作伙伴晶瑞科技一起携旗下显示设备和打印设备参加此次了展览。

在三菱展台上最为显眼的就是由四块67英寸70系列DLP背投显示墙拼接而成的巨大显示画面。拥有智能、灵活、内置处理器、自动平衡、安装简便、耐久以及备份7大特性的70系列DLP背投显示墙，是今年度三菱推出的具有开创性意义的最新DLP背投显示墙产品。以人性化、智能化作为设计主概念，三菱70系列产品代表了拼接墙产品发展的新前景及方向，而本次展示的产品中另有一款67英寸前维护的产品，空间上的节省及便利的维护为人们选择大型显示设备提供了更好的选择。

大尺寸公共液晶显示器方面，三菱共展出了42英寸、46英寸两种规格的产品。均采用了最新的无机液晶面板，防止长时间使用而造成的面板老化变黄的问题。特别是46英寸产品，采用了1920×1080的全高清面板，拥有更加精细的画面表现。三菱液晶触摸屏技术，具有工作温度宽、稳定性强、阳光防眩等特点。可以广泛应用于宽温、强光、户外灯工作环境。

OLED显示技术概述 第3篇

1 OLED的发光原理和彩色化方法

OLED器件的基本结构是在ITO阳极与金属阴极之间夹一层有机发光层, 形成像三明治一样的夹心结构。当在OLED器件两端加上正向电压后, 由阴极注入的电子和阳极注入的空穴将在有机发光层中产生复合, 同时释放出能量, 并将能量转移给有机发光材料的分子, 后者受到激发产生发光[3]。

全彩化显示应用是未来OLED技术的主要发展趋势, OLED要获得全彩主要以下有三种方法。一是采用红、绿、蓝三种有机发光材料制成三基色子像素, 利用混色原理获得彩色显示。二是把蓝光OLED发出的光利用荧光材料吸收后再转换发出红、绿、蓝三基色光获得全彩。三是沿用LCD全彩化的方法, 只利用白光OLED发光, 再使用彩色滤光片获得三基色。

2 OLED技术分类和发展现状

根据发光材料的不同, OLED器件可以分为有机小分子电致发光器件 (SMOLED) 和有机高分子电致发光器件 (POLED) 两大类。小分子材料主要采用真空热蒸发工艺, 其供应商以日系厂商为主;高分子材料由于不耐高温, 因此主要采用旋转涂覆或喷涂印刷工艺, 其供应商以欧美厂商为主。目前小分子材料发展较早, 其技术已经达到商业化生产水平。高分子材料由于可以采用旋涂、喷墨印刷等方法成膜, 从而可能会大大降低显示器件生产成本, 但目前该技术尚不成熟, POLED产品的彩色化上仍有困难。

根据驱动方式的不同, OLED显示器可分为无源矩阵OLED (简称PM-OLED) 与有源矩阵OLED (简称AM-OLED) 。PM-OLED由于像素之间不绝缘, 交叉串扰比较严重, 只能用在小尺寸显示屏上。AM-OLED中每个像素串联了具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管 (LTPS TFT) , 并联了一个电荷存储电容, 显示容量可以做得更大, 而且外围驱动电路可以一起集成在LTPS TFT阵列基板上, 更易于实现高亮度、高分辨率和彩色化, 因此AM-OLED适用于中大尺寸显示, 特别是大尺寸全彩色动态图像的显示。

从1987年美国柯达公司发布具有实用潜力的OLED器件以来, 许多厂商都加入到此技术研发的行列中, 近年来OLED技术研发主要集中在日本、韩国、台湾地区, 而且日本、韩国已经形成了完整的上、中、下游OLED产业链。目前OLED研发技术较为成熟的厂商要以韩国的三星和LG为代表。三星主要采用“LTPS TFT基板+RGB OLED”的技术路线, 已经在中小尺寸OLED面板上取得很大成功, 是全球中小尺寸AM-OLED面板的最大供应商。三星也是目前唯一在大尺寸OLED上采用LTPS技术路线的企业。LG Display则采用“Oxide (氧化物) 基板+白光OLED”的技术路线, 在大尺寸OLED面板的良率上实现突破, 并于2013年开始大张旗鼓地推广大尺寸OLED电视[4]。

3 技术优势和存在的问题

OLED器件的结构和发光原理决定了其具备有其它平板显示技术所不具备的优势:a.OLED采用有机薄膜作为发光材料, 其发光层可以更薄、更轻而且更富于柔韧性, 而其可以使用塑料薄膜作为基板, 更易于开发软屏显示器;b.OLED是主动发光显示, 不需要采用LCD中的背光模组, 其耗电量远小于LCD, 是真正的低功耗显示器;c.OLED结构简单, 发光材料采用蒸镀或印刷工艺制备, 制程流程更加简单, 也更容易制作大尺寸面板;d.OLED是自发光, 不存在视角问题, 而且响应速度快, 在ns量级;e.OLED色域广, 显示图像更加艳丽逼真。

OLED目前存在的主要问题是材料发光效率还有待提高、大尺寸量产技术尚未解决, 良率低, 成本高。

4 应用前景

OLED显示技术有着广阔的应用前景, 其尺寸可以从几英寸覆盖到上百英寸, 产品包括小面板的手机、PDA、数码相机、汽车音响, 中尺寸的平板电脑和笔记本电脑, 大尺寸面板的电视机、监视器等。在军事领域, OLED也很有用。率先把OLED应用在视频眼镜上的是美国的e Magin。随之, 采用欧洲的超微OLED显示屏的视频眼镜被推上市场。OLED显示应用的多元化, 除了硬质基板外, 可弯曲柔性OLED也是目前欧、美、日等国家和地区先进的实验室最热门的研究课题之一。利用有机材料本身良好的可弯曲性, 将其制作在耐撞击、不易破碎、轻薄、便携、低价的可弯曲塑料基板上, 以具备未来便携式平面显示器所需的轻、薄、小、彩、省等多元化特性。

5 结论

OLED是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件, 它很容易制作, 而且只需要低的驱动电压, 这些主要的特征使得OLED在满足平面显示器的应用上显得非常突出。所以当OLED发明之后, 世界各国几乎同时投入了大量的研发资源在平板显示技术的开发上。OLED拥有超越LCD的显示特性和品质, 且更容易制作大尺寸、高亮度、高分辨率软屏, 因此其极有可能成为下一代主流平板显示器。目前与其它显示技术相比, OLED还尚显年经, 但是随着技术越来越成熟, 其今后可能得到迅速发展, 前途不可限量。

摘要：有机发光二极管 (Organic Light-Emitting Diode, OLED) , 又叫做有机电致发光显示器 (Organic Electroluminesence Display, OELD) , 其具有主动发光、宽视角、短反应时间、高发光效率、低工作电压、面板薄、可制作大尺寸与可弯曲的面板及制程简单等优点, 被认为是继LCD之后的第三代平板显示技术。介绍了OLED器件的发光原理和彩色化方法, OLED显示技术的分类和发展现状、技术优势和目前主要存在的问题, 并在最后分析了其应用前景。

关键词：oled,发光原理,发展现状,应用前景

参考文献

[1]C.W.Tang, S.A.Van Slyke, Appl.Phys.Lett., 51, 913 (1987) .

[2]J.H.Burrououghes, D.D.C.Bradley, A.R.Brown, R.N.Mraks, K.Mac Kay, R.H.Friend, O.L.Burn, A.B.Holmes, Nature, 347, 539 (1990) .

[3]陈金鑫, 黄孝文.OLED梦幻显示器—材料与器件[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

OLED微显示器 第4篇

2010年,我国作了培育和发展战略性新兴产业的决定,新型显示是其中一个子项。可是,回顾以往,从CRT(阴极射线管)到LCD(液晶显示器),在每一次产业升级中,由于缺乏关键技术,我国内地的显示产业都处于背后追风、疲于模仿的被动局面,付出了很大的代价。近来,就在我国有些企业刚刚投产8.5代LCD面板线,正拼命收回投资、力争扭亏的时候,OLED又一步步走来了。[1]

1 OLED的概念和性能

OLED,即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode),也有人称作有机发光显示器(Organic Light-Emitting Display),是有机电子产品的一种,代表一种新型电致发光显示技术。与现有的显示技术相比,OLED具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超轻薄、低功耗、抗震性能好、无视角限制、工作温度范围宽(-40℃～80℃)、可以弯曲折叠、便于随身携带等诸多优点。[2,3]并且OLED的刷新速率比LCD高出近1 000倍,图像逼真度大大提升[4]。由此,OLED被誉为“梦幻显示器”。近几年,OLED在小尺寸显示器方面的技术与市场开发十分抢眼,在大尺寸显示器方面的应用也有突破,OLED显示产品的市场份额逐年强势增长。在不远的将来,OLED极有可能以咄咄逼人之势取代LCD。

根据使用有机电致发光材料的不同,OLED可分为小分子型和高分子型(PLED)两种。根据驱动方式的不同也分为两种,PMOLED为被动式矩阵(Passive Matrix)。OLED,AMOLED为主动式矩阵(Active Matrix)OLED。前者较不适合用于显示动态影像,反应速率相对较慢,较难发展中大尺寸面板,不过相对较为省电;后者则反应速率较快,寿命表现较佳,并可发展各种尺寸应用,最大可达电视面板需求,可充分体现OLED的优越性,但相对被动式较为耗电。2009年以前,PMOLED是OLED面板的主流,但在2009年第一季度AMOLED的营收已超过了PMOLED。

2 国外OLED显示产业的进程

早在1936年,Destriau将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜,得到了最早的电致发光器件。在20世纪五六十年代,A.Bemanose等人以及M. Pope等人先后在小分子物质蒽单晶两侧加以高电压而都获得了电致发光。1983年,R. Partridge等发表了高分子聚合物的电致发光文章。在20世纪80年代中期以前,有机电致发光徘徊在高驱动电压、低亮度、低效率的初级水平上,有关OLED的研究也未引起多大重视。1987年,柯达公司的C.W.Tang等人利用小分子有机材料以真空蒸镀法制成了多层结构的OLED组件,大幅降低了电压且提高了组件的性能,[2,5] 其潜在的商业价值吸引了全球的目光。随后,全球关于OLED的研究与商业开发明显活跃起来,世界各大光电厂商纷纷加入开发队伍。自2003年开始,陆续有厂家把OLED技术应用在MP3、手机、数码相机等数字产品的显示屏幕上。目前,全球从事OLED显示研究与技术开发的公司和研究机构有200多家,不少公司已经批量生产单色、多色和全彩OLED产品。OLED技术开发源于欧美,然而由于成本和产业链的关系,OLED技术在东亚的日本、韩国、中国台湾和大陆得到了较好的发展。这些国家和地区在OLED技术的开发进程中都留下了自己的标志性足迹。

在欧美,1990年,英国剑桥大学利用分子聚合物作为OLED发光材料开发出高分子OLED技术(PLED)[6],由于颇具发展潜力,于1992年成立了开发显示技术的CDT公司。1997年,美国普林斯顿大学及南加州大学的学者,与通用显示公司合作研制出首个OLED显示器样品。2000年,柯达和日本三洋公司展出了5.5英寸全彩AMOLED显示器。同年,摩托罗拉公司采用日本先锋公司的1.8英寸多色PMOLED面板首先把OLED显示器用在了手机上,并实现了商品化;施乐公司与3M公司合作推出一种纸状、可随身携带的OLED显示器。2001年,eMagin公司针对手机推出了全彩OLED微型显示器。2003年,柯达公司推出了全球第一款全彩AMOLED家用相机。2005年,eMagin公司推出个人微型显示系统Z800 3Dvisor,即视频眼镜。同年,英国MicroEmissive公司推出了商业化的Eyescreen PLED微型显示器。2008年,柯达公司发布了全球首款OLED无线相框。

在日本,表现活跃的是东北先锋公司和索尼公司。先锋公司率先于1997年把分辨率为25664的PMOLED作为汽车音响面板推向市场;1999年,先锋成功开发出5.2英寸分辨率为320x240 pixels、256色的全彩PMOLED面板;2001年,先锋制成OLED彩电。

索尼公司于2001年推出13英寸分辨率为800600的AMOLED显示器原型;2002年,索尼制成13英寸AMOLED显示器;2004年,索尼开始批量生产AMOLED显示器,用于CLIE PEG-VZ90型个人娱乐掌上电脑;[4] 2007年,索尼推出全球首款11英寸的OLED电视,图像清晰,色彩艳丽,实现了OLED电视的最早商品化,不过由于售价过高,销售不畅,随后索尼不得不停止OLED电视的生产和销售[1]; 2009年CES(美国国际消费电子展览会)上,索尼以及韩国三星、LG等纷纷展示了多款15英寸～32英寸的OLED电视;2010年,索尼开发出厚度仅为80μm的可卷式显示器,这是OLED技术上的一项重大突破;2011年,索尼中国专业系统集团在上海电视节上推出了两款配备了索尼量产的大尺寸OLED面板的监视器,即17英寸的BVM-E170和25英寸的BVM-E250;同年,索尼还在北京国际广播电影电视设备展览会上推出了数款尺寸不一的OLED监视器,最大尺寸为25英寸,最小为9.7英寸。

日本除这两家公司之外,三洋电机公司和美国柯达公司合作于1999年研制出2.4英寸OLED显示器。东芝公司在2002年SID (国际资讯显示协会) 展会上发布了采用聚合物发光层所作的17.1英寸全彩OLED显示器,这在当时的OLED面板尺寸上是个不小的突破。2002年,Fujitsu手机F505i次屏幕搭配了先锋的1.0英寸全彩PMOLED面板。2004年,精工爱普生通过喷墨打印技术制备了当时世界上第一个大尺寸(40英寸)全彩高分子OLED原型机,显示器厚度仅为2.1mm,并在2004年下半年的SID展会上作了展出。

目前,日本的彩电企业已在日本政府的牵头下制定了40英寸以上OLED联合攻关计划,该计划不仅包括了索尼、东芝、松下、夏普等生产显示器和电视机的企业,还包括了住友化学、出光兴产、产业技术综合研究所、长州产业、JSR等机构。该计划旨在20152020年间量产40英寸以上的OLED显示器。日本试图借此确立其在OLED领域的优势地位。[7]

在韩国,上演的是两大巨头的争霸战。三星公司于2001年推出了搭载全彩PMOLED面板的手机;2002年,三星制成了8.4英寸的AMOLED显示器;2005年,三星电子宣布首部基于OLED技术的40英寸、厚度仅为1mm的超薄电视机研制成功;2007年,三星SDI和LG都开始量产AMOLED产品,三星是全球第一个量产AMOLED面板的厂商;2008年,三星在CES展会上展出了自己的全系列OLED电视产品;2010年,三星展出了14英寸透明OLED笔记本电脑;同年,三星将AMOLED导入智能手机;2011年,三星推出了7.7英寸 AMOLED 平板电脑;2012年1月,三星电子于CES展会展示了一款55英寸超级OLED电视,拥有优良的画质和超薄的外观[8]。三星是全球OLED显示领域的领导企业,目前三星已经建成多条低世代OLED生产线。其3.5代OLED生产线所产14英寸面板良品率已经达到90%以上;其5.5代线也已量产,月产能7.2万片,该生产线目前是三星最大量产线。三星目前正在建设一条8代OLED生产线,该线可用于量产40英寸以上的大屏幕电视机。[9] 三星计划在今年第二季度末试产8代玻璃基板的AMOLED面板,月产能6千片[10]。OLED类消费电子产品的生产为三星带来了丰厚的回报。据NPD DisplaySearch最新报告,2011年全球AMOLED营收会冲到33.6亿美元,年增长率高达169%,三星移动显示(SMD)是AMOLED增长的主要推手,其出货量占到所有AMOLED面板的97.5%[11]。

LG也不甘示弱,2007年,LG展示了不锈钢薄板基板的4英寸Flexible AMOLED面板;同年,LG电子宣布庆北龟尾的E工厂开始量产AMOLED面板;在2009年的德国柏林国际消费类电子产品展览会(IFA)上,LG电子展示了其首款采用OLED技术的15英寸电视机,这款电视的屏幕厚度仅为3mm,重量仅为320克;LG Display在2012CES展会上发布了全球最大的55英寸OLED高清电视,其厚度仅有4mm,计划将在今年7月新建成的第8代线上量产[12]。

从这些发达国家OLED产业现状看,中小尺寸的单色、多色和全彩OLED显示器已经批量生产,大尺寸全彩器件也有突破性进展,处在准备量产阶段。

3 我国OLED显示产业的现状

台湾方面,凭借在IT制造方面的优势,以铼宝、攸景、奇晶、统宝等为代表的一批企业已走在全球OLED产业的前列[7]。铼宝公司于2001年推出了使用自产的单色OLED显示器的手机;在2002年SID展会上,铼宝以及光磊等展出了应用于手机的全彩OLED面板;同年,铼宝成为全球继日本先锋之后第二家产品化的公司。友达公司在2002年3月推出了全球第一片结合a-SiTFT的4英寸AMOLED模块,9月又推出了结合LTPS技术的4英寸AMOLED全彩显示器,随后又推出了全球第一片双面全彩AMOLED显示器;2006年,友达正式量产AMOLED,成功将其导入手机产品,不过后期的发展并不顺利;在2011横滨光电展上,友达推出了基于LTPS的只有0.3mm厚的4英寸柔性AMOLED面板、4.3英寸解析度高达257dpi的 AMOLED面板和32英寸3mm厚的Full HD AMOLED TV。奇美电子于2004年开发出全彩20英寸OLED显示器。奇晶光电于2007年开发成功更大尺寸的AMOLED数字相框。同年,奇晶突破了AMOLED的良率门槛,进入量产阶段,在2009横滨光电展和2010台北光电周上,奇晶都展出了25英寸OLED面板。目前,奇晶光电使用奇美电子3.5代线的部分产能生产2英寸AMOLED产品,良率达到六成以上。友达和奇美电子均计划在2012年向智能手机市场出货AMOLED面板。

香港方面,晶门科技、中颍电子已成为全球为数不多的OLED驱动IC开发商。香港科技大学的低温多晶硅TFT AMOLED技术全球领先,通过与中显科技合作,该技术项目于2008年落户佛山,经过三期建设,分别生产2英寸全彩AMOLED显示器、第5代TFT AMOLED的26英寸以下的中尺寸全彩AMOLED显示器和第8代大中尺寸TFT AMOLED的电视机。[13]

在内地,维信诺是我国内地OLED产业的引跑者,依托清华大学的科研实力和人才优势,经过十余年技术研发,维信诺和清华大学已申请国内外专利200多项。2002年,维信诺在北京建成了中国内地第一条PMOLED中试生产线,2003年起,其OLED产品开始小批量供应市场,2008年10月,在昆山成功建成中国内地第一条PMOLED大规模生产线,实现了小尺寸 OLED显示器的量产。2009年,建立了内地第一条AMOLED中试生产线,并于2010年实现了LTPS-TFT背板与OLED的技术集成,先后开发成功2.8英寸和3.5英寸全彩AMOLED显示器,实现了RGB三基色显示。2011年,7.6英寸AMOLED全彩显示器研制成功。该款显示器是目前国内尺寸最大的AMOLED显示器,代表了国内AMOLED显示技术的最高水平,其成功开发亦为我国自主研发中大尺寸AMOLED显示产品奠定了坚实的基础。维信诺目前在筹划高世代线的建设,5年内将建设一条可生产30英寸以上电视产品的AMOLED生产线。2010年,维信诺在大陆市场占有率达到40%,昆山PMOLED销售额达1.7亿元。2011年前三季度维信诺出货量居全球第二位,国内第一位。[14]

其他小批量生产、试产或开发OLED产业的还有四川虹视、上海天马、京东方、汕尾信利、佛山彩虹、佛山中显科技、东莞宏威、惠州茂勤光电、爱视代等企业以及清华大学、华南理工、北京大学、吉林大学、上海大学、辽宁科技大学、长春光机所、北京化学所等高校、研究所共计约40家。不少研发单位已经取得了阶段性成果。四川虹视的PMOLED量产线自2010年4月投产以来,产品良率已经超过90%;虹视的AMOLED和PMOLED面板实验线已经成功开发出多款2.6英寸～7.6英寸的AMOLED样品,目前正在研发10英寸级产品,14英寸级和20英寸级产品也在研发计划中;虹视计划在2013年建成一条4.5代以上AMOLED量产线。[15]汕尾信利利用韩国Viatron技术和日本Evatach设备的OLED生产线是我国大陆第一条具有规模生产能力的生产线,2004年初批量生产单色产品,2004年中批量生产彩色产品,2007年批量生产品质要求最高的车载产品。彩虹佛山OLED生产线于2010年11月正式投入试运营,生产PMOLED显示器。上海天马的AMOLED中试线于2011年已基本调试完成。爱视代公司在世界上率先把高分子OLED用于视频眼镜。安徽华夏电子有限公司和合肥工业大学光电技术研究院合作,于2009年成功开发出OLED基片及应用组件产品。华为在2012CES展会上发布了全球最薄智能手机Ascend P1 S,该手机采用的是4.3英寸的Super AMOLED屏幕,分辨率为qHD级别。云南北方奥雷德光电科技股份有限公司,是中国第一家可以生产AMOLED微型显示器的公司,除现有0.5英寸SVGA分辨率的产品外,又逐步开发出5、6、7、9.7英寸、分辨率从800600到19201080的AMOLED微型显示器。上海航天欧德(上海大学)与杭州士兰微电子合作,于2003年成功开发出内地第一款OLED专用驱动IC芯片。内地致力于OLED材料研发和生产的公司有吉林奥来德光电股份有限公司、无锡樱莱电子技术有限公司、北京阿格蕾雅科技发展有限公司、天津佰斯康科技有限公司、苏州纳凯科技有限公司等。

昆山维信诺、汕尾信利、四川虹视、佛山彩虹、中显等多家企业从事小尺寸OLED的生产,表示我国内地具有了一定的OLED产业基础,但在大尺寸OLED领域还没有太多的进展。显见,与三星、LG相比,我国内地OLED产业的水平有相当明显的差距。但与CRT和LCD时代初期相比,这次的差距要小的多。所以这次OLED产业的兴起对我国显示面板业来说,是一次有可能实现“弯道超越”的、难得的历史机遇。2011年6月,内地成立了中国OLED产业联盟,同时,工业和信息化部通过招标的方式分别给予维信诺、京东方、虹视3家企业一定的扶持资金用于开发AMOLED项目。在国家的大力扶持下,我们冀望通过发展OLED产业改变我国内地显示产业的长期被动局面,并且把OLED产业打造成既有规模效益又有核心技术支撑的经济增长点。

4 OLED显示产业的市场趋势

近几年,随着智能手机、移动视频显示等消费电子产品的迅速发展,使得对AMOLED面板需求量提高。OLED大尺寸的产业化以及柔性显示技术、PLED技术的发展,更会为下一阶段的OLED产业带来巨大商机。据NPD DisplaySearch于今年1月的分析预测,2011年OLED面板产值预估达到了40亿美元,约为所有平板显示器产值的4%;2018年将超过200亿美元,达到所有平板显示器产值的16%。其中对于AMOLED部分,NPD DisplaySearch预测认为,在2012年,许多AMOLED量产技术达到成熟并开始量产大型AMOLED面板;将有更多平板电脑采用AMOLED面板, AMOLED平板电脑面板出货量将超过1 000万片;AMOLED TV的出货量将超过10万台。并预测未来几年AMOLED TV市场发展迅速,到2014年AMOLED TV出货量将超过150万台,2017年超过1 000万台,2018年超过1 800万台。[16] 4月的NPD DisplaySearch季度预测报告显示,2012年第一季度OLED面板将创下近5 000万片的出货新高,其中AMOLED手机面板也创下季出货2 500万片的新高纪录[10]。 另据IHS iSuppli在2012年11月对AMOLED的出货量预测,2011年全球AMOLED出货量预估达到7 370万片,比2010年大增55%;2012年增长势头将更加强劲,预计增长110%,随后几年将以两位数的速率增长直到2015年,2015年时AMOLED出货量将达到2.973亿片左右[17]。对于PMOLED部分,DisplaySearch认为,2015年以前PMOLED显示器的单位出货量会一直增长,但其收入将保持平稳。

OLED市场趋势和规模如此看好,那市场主体在哪里呢 45%以上的IT产品与显示器件有关。我国内地的手机产量占全球产量的50%以上,内地的MP3、MP4产量占全球产量的90%以上,而其他消费电子产品的产量占全球产量的50%以上。随着OLED面板成本的进一步下降和产能的进一步提升,未来在其他消费电子产品的应用也会增多。显见,我国目前是全球最大的OLED应用市场,我国发展OLED产业潜力巨大。

5 我国内地OLED显示产业的发展瓶颈

5.1 产业链不完善,上游产品竞争力不强

我国内地虽已有不少企业进入OLED产业,但多集中在产业链下游的面板制造环节,上游的设备制造、原材料开发尚很薄弱。关键设备及整套设备的系统化技术等大都掌握在日本、韩国和欧洲企业手中,我们不得不从他们那里进口,这影响着我国OLED产业的进程。

5.2 基础研究不足,核心技术欠缺

截至2010年7月,在我国受理的OLED专利申请者中,排名靠前的大部分是跨国公司,我国仅有清华大学和北京维信诺公司进入前15名,表明多数OLED研发单位基础研究与技术开发薄弱,研究成果偏少。这制约着OLED产业发展的步伐,例如我国某些主流的彩电企业多年来一直致力于研发OLED电视,但大尺寸OLED仍未有太多进展。

5.3 缺少领导型大企业

我国缺少韩国三星那样的规模大、产品全、协同效应高的龙头企业来引领这一产业。我国内地现有的OLED领头企业在国际上缺乏竞争力和影响力,在全球行业标准及知识产权领域缺乏足够的话语权。

5.4 成本高居,量产困难

由于相关的产业链建设仍未完善,驱动IC、OLED材料、设备等受制于人,再加上OLED的制作良品率不是很高,都使得成本难以降低。材料使用率低、寿命短等问题也困扰着OLED产业的发展。与LCD相竞争,没有有利的价格优势影响着OLED产品的量产。

5.5 缺乏总体战略和长期稳定支持

政府OLED项目来自不同部门,项目来源比较分散,企业需要花很大精力分头争取项目,而且这些项目大都是一次性的,不能满足持续进行技术开发和产业化试验的需要。OLED生产线所需投资巨大,一条4.5代AMOLED生产线大约需要50亿元人民币,国内家电和手机制造企业很难进行如此大规模的投资,而且在产业发展初期,OLED企业也达不到进入资本市场的门槛。尽管有地方政府投资,但AMOLED生产线的巨大投资也使地方政府难以独立支撑。[18]

6 对我国OLED产业的几点建议

6.1 制定发展战略,相关部门统筹安排

可以借鉴国外经验,由相关部门牵头,成立由科研机构和企业等各方面专家组成的咨询委员会,研究制定整体发展战略和规划,制定相应的配套政策。各相关部门通过联合协商等方式,对OLED的研发、中试和产业化项目进行统筹规划和适当整合,根据对产业培育期的预估,重点给予持续性集中支持。并且要进一步完善产业联盟的合作机制,注重其运作的效果。[18]

6.2 制定相关鼓励政策,解决融资瓶颈

OLED产业投资巨大,又要开辟市场和不断进行技术改进,所以融资是个大问题。国家应建立扶持机制,鼓励和引导金融资本支持这一产业。对早期具有示范作用的生产线应给予税收优惠政策和贷款贴息政策,适当降低企业的投资风险,调动企业的积极性。鼓励投资控股公司进行战略性投资也是一个好办法。

6.3 加强产学研合作,推动科研单位横向联合

目前,我国OLED相关研究机构众多,在基础研究方面各有优势,但缺乏横向联合机制,各单位都试图建立自己的产能,在技术上排外,因此产业化效率低,不利于我国整体OLED产业的发展。因此,政府不但要推动科研机构间的横向联合,还要推动企业与科研机构的合作甚至国际合作,走产学研合作之路,创造基础研究产业化的条件。集各方面的优势,形成合力,攻克一批技术难题,提高核心竞争力。另一方面,鼓励优势企业和科研机构将技术转让给其他企业,培育我国OLED的产业集群。

6.4 推动相关企业兼并重组,培育龙头企业

目前,我国OLED企业不少,但普遍是基础研究薄弱,技术缺乏,规模较小,没有形成上中下游产品的互动发展。针对这一情况,应该打破地域区隔,政府积极推动相关企业兼并重组,构建企业集团,努力打造OLED产业链集群优势。对一些经营管理较好、技术质量高、产品销售渠道通畅的龙头骨干企业给予大力扶持,培育OLED产业的旗舰,促使早日形成能抗衡国际巨头的大企业集团。

基于单片机的OLED显示系统设计 第5篇

目前嵌入式系统中LCD显示具有需要背光源、厚度厚、视角范围窄、响应速度慢、功耗大等缺点。而有机发光显示器 (Organic Light Emitting Display, OLED) 是一种新型发光和显示器件, 相对于传统LCD显示, 具有主动发光、重量轻、厚度薄、高亮度、高对比度、快速响应、高清析度、低电压、高效率、适应温度范围宽、抗震强、功耗低等优点[1,2], 可广泛应用于智能化仪器仪表、工业计算机测控、便携式消费电子等嵌入式系统应用领域。鉴于此, 本文以STC单片机作为控制核心, 选用VGG12864L-02作为OLED显示模块, 设计了一种基于单片机的OLED显示系统, 并将其应用于某便携式数据采集仪器中。

1 系统硬件设计

1.1 系统微控制器

微控制器选用STC系列单片机中的STC12LE5A60S2 (3.3V) 型号。该微控制器是宏晶科技生产的单时钟/机器周期 (1T) 微控制器, 是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051微控制器, 指令代码完全兼容传统8051, 但是速度快8-12倍。内部集成CPU、FLASH、SRAM、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、SPI接口、复位电路、高速A/D转换等功能模块[3,4]。上述特征使得该微控制器越来越广泛地应用于嵌入式系统中。

1.2 系统OLED显示模块

OLED显示模块选用VGG12864L-02 (3V) , 该模块是128列*64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块。该模块具有内藏128*64Bit显示数据RAM、集成SSD1305 OLED驱动器、接口电路简单、内置驱动电压、高亮度、高对比度、宽视角、响应速度快、温度范围宽及支持串行/并行接口等特点[5,6]。

1.2.1 显示模块结构图

VGG12864L-02模块的OLED显示屏为128列, 64行结构。图1为该模块逻辑电路和接口电路框图。从该模块的结构图, 可以看出, 用户需要提供逻辑电源, 相应送出显示DATA (D0-D7) 并产生驱动指令信号D/C#, R/W#, E/RD#, 就有点亮OLED屏。同时, MCU仅与SSD1305进行数据通信, 所以仅需要了解SSD1305的时序特性及指令系统, 就能方便的使用该模块。

1.2.2 示数据RAM的地址结构

VGG12864L-02模块内置128*64Bit的显示存储器, RAM容量为128*8=1024 BYTE, 它被分成8页 (page0-page7) , 每页8行, 每页的第一列为一个字节, 低位在上, 高位在下;显示存储器用于存储显示数据, 显示屏上各像素点的显示状态与显示存储器的各位数据一一对应, 显示存储器的数据直接作为图形显示的驱动信号[7]。正常模式时, 数据显示为“1“, 相应的像素点显示;数据显示为”0“, 相应的像素点不显示。

1.3 系统硬件设计

由图2可知, 微控制器STC12LE5A60S2通过RES#、CS#、D/C、WR#、RD#和D0-D7共13个接口控制驱动芯片SSD1305, 从而控制OLED显示屏[8]。D/C为数据/命令选择信号, 当其为高电平时, D0-D7表示显示数据信号;当其为低电平时, D0-D7表示命令信号;RES#是复位使能端, 当其为低电平时, 所以有控制寄存器均被设定为出厂时的默认状态;CS#为片选信号, 当其CS#为低电平时, 微控制器STC12LE5A60S2才能与驱动芯片SSD1305进行通信;WR#和RD#分别为写和读选择信号, 当CS为低电平时, 在其下降沿读写有效。

由于微控制器STC12LE5A60S2和显示模块VGG12864L-02的供电电压均为3.3V, 而本系统的电源供电电压为5V, 所以, 本系统设计通过一个电源电压转换芯片BM1117-3.3将5V电压转换成3.3V电压, 从而为系统提供一个稳定可靠的供电电压。

MCU与显示模块VGG12864L-02有6800总线方式、8080总线方式和串行方式三种通讯方式, 本系统将显示模块作为MCU的一个外部存储器进行读写控制, 所以, 选择8080总线通讯方式, 将M80/68#和MS引脚均接为高电平。此外, 由于微控制器STC12LE5A60S2自带60KB的FLASH存储器, 完全可以满足系统的程序存储要求, 不需要外接存储器, 所以, 微控制器的/EA/VPP引脚应接为高电平。

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括系统初始化、OLED初始化、OLED读取状态寄存器内容、清屏、汉字、ASSCII显示等功能模块设计。

2.1 系统初始化模块

系统初始化主要包括IO端口设置、中断设置、相关寄存器初始化等工作。其中, 根据图2可知, IO端口设置部分:数据线P0口要设置成双向口, D/C、RES#、CS#要设置成推挽输出方式, 以增强系统的IO驱动能力, P2, P3口按系统默认设置即可;中断设置部分:由于该系统设计没有用到相关中断控制, 所以在系统初始化中要关闭总中断, 即EA=0即可。

2.2 OLED读取状态寄存器内容模块

MCU在访问显示模块时需要先读取状态寄存器内容, 判断“忙”标志, 不忙时才可以访问。具体操作如下:MCU在每次写命令或写数据之前要先判断数据线D7位是否为“0”, 如果为“0”, 表示显示模块处于“闲”状态, 可以进行写操作, 如果为“1”, 表示显示模块处于“忙”状态, 此时MCU需要等待, 一直等到其变为“闲”状态才能进行写操作。

2.3 OLED初始化模块

OLED初始化主要包括设置行列起始地址、设置对比度 (1-256) 、设置显示模式、设置预充电时间、设置水平方向是否滚动、设置正反显示、设置开显示等。

2.4 清屏模块

MCU在控制OLED进行正常显示相关数据之前, 首先需要对OLED显示屏进行清屏, 才能保证整个OLED显示屏数据显示的完整性、清晰性。根据显示模块数据RAM的地址结构, 清屏模块程序设计流程图如图3所示。

2.5 OLED汉定或ASCII码字符显示模块

OLED显示屏要显示汉定或ASCII码字符, 首先需要用字模提取软件提取所选汉字或ASCII码字符的字模, 然后将提取后的字模存入一个一维数组中, 最后通过OLED显示程序将字符代码写入存储在SSD1305的GDDRAM后, 就可以在OLED显示屏上显示出所需要的汉字或ASCII码字符。字模提取软件可以用选用ZIMO21, 该软件有横向和纵向两种取模方式。根据VGG12864L-02显示数据的RAM地址结构, 本系统选用纵向取模方式, 另外由于VGG12864L-02采用的是低位在上高位在下的字节结构, 所以要设置成字节倒序, 汉字或ASCII码字符的字体、字形、大小和显示效果可根据需要进行修改, 然后采取C51格式取模生成单个汉字或ASCII码字符的点阵显示代码, 最后调用显示模块程序显示出相应的汉字或ASCII码字符。例如, 汉字“显”, 该文字为宋体12, 通过ZIMO21提取后的字模为16*16的点阵 (共32个字节) :Han Zi_Shu Zu[]={0x00, 0x00, 0x00, 0xfe, 0x92, 0x92, 0x92, 0x92, 0x92, 0x92, 0x92, 0xfe, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x40, 0x42, 0x44, 0x58, 0x40, 0x7f, 0x40, 0x40, 0x40, 0x7f, 0x40, 0x50, 0x48, 0x46, 0x40, 0x00}, 再例如, ASCII码字符“D”, 该字符为宋体12, 通过ZIMO21提取后的字模为8*16的点阵 (共16个字节) :Ascii_Shu Zu[]={0x08, 0xf8, 0x08, 0x08, 0x08, 0x10, 0xe0, 0x00, 0x20, 0x3f, 0x20, 0x20, 0x20, 0x10, 0x0f, 0x00}。提取完相应汉字或字符字模之后, 然后就是调用显示模块在显示屏相应位置进行显示。汉字或字符显示模块与清屏模块类似, 下面以16*16汉字为例说明该显示模块的设计。16*16的汉字字模总共为32个字节, 需要点用OLED显示模块两页 (一共是8页) , 先从某一页的某一列开始依次向显示RAM送入前16个字符代码, 然后切换到相邻下一页, 从相同列开始依次向显示RAM送入后16个字符代码, 即可在OLED显示屏显示出相应的汉字。16*16汉字的显示模块程序设计流程图如图4所示。

ASCII码字符显示模块与16*16汉字显示模块类似, 稍加修改即可, 这里不再详细介绍。对于一幅完整图片的显示, 首先需要用修图软件将其调整到128*64的尺寸大小, 然后再通过ZIMO21提取出整幅图片的点阵库, 提取的点阵库为1024个字节, 然后调用图片显示模块, 即可在OLED显示屏上显示出图片效果。完整图片显示模块与清屏模块类似, 只需要把1024个0X00数据换成图片点阵库中的相应字符代码即可。

3 结论

针对目前嵌入式系统中LCD显示存在需要背光源、厚度厚、视角范围窄、功耗大等缺点的现状, 提出了一种基于单片机的OLED显示系统设计方案, 并展开硬件和软件设计。整个系统采用微控制器STC12LE5A60S2作为控制核心, 采用VGG12864L-02作为OLED显示模块, 利用8080总线接口实现MCU与OLED显示模块的通讯, 实现了嵌入式系统中汉字、字符和图片等相关信息的显示功能。本系统已经成功应用于某项目数据采集系统中的工作参数和实时数据的显示。实践表明该系统具有运行稳定可靠、接口简单、编程方便、功耗低、体积小、成体低、便于维护等优点, 对于其他嵌入式应用显示设计具有一定的借鉴意义。

参考文献

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[3]李红刚, 张素萍.基于ZLG7289A和JR8629的人机接口设计[J].现代电子技术, 2014, 37 (10) :96-100.

[4]李红刚, 张素萍.基于单片机和Lab VIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术, 2014, (4) :62-67.

[5]梁绍伟.浅谈基于单片机的OLED显示器的工作原理和应用[J].科技创业, 2010, (9) :195-197.

[6]田海燕, 李焱.基于P89LPC936控制的OLED屏设计[J].兵工自动化, 2008, 28 (8) :76-78.

OLED微显示器 第6篇

关键词：OLED,车载显示,人机互动,TOLED,FOLED

引言

自上世纪80年代华裔科学家C.W.Tang等首次制成有机电致发光显示器(OLED)[1]以来,OLED的发展历程与当时的液晶显示器类似,由最初的小尺寸的数码相机显示屏,单色、全彩Mp3和手机显示屏等便携式数码产品,到如今市场上中尺寸的平板电脑和大尺寸的电视机应用,OLED因其轻薄,体积小,节能环保等优异的性能[2]被市场接受,得到了消费者的认可,柔性OLED(FOLED)和透明OLED(TOLED)所具有独特的优势,被认为是显示器的应用的未来方向。然而OLED制造成本高、生产良率较低等问题,成为目前阻碍OLED产业发展的主要原因。

近年来,中国巨大的潜在汽车市场,吸引了全球众多知名汽车厂商的目光,OLED也在努力开拓汽车车载应用的市场,除了显示器,OLED照明也已经应用到了汽车照明和车内背光应用,而我们这里讨论的是OLED作为显示器在汽车车载上的应用,特别是研究进入车载应用前装市场所面临的机遇和挑战。

1、OLED在车载应用中的机遇

1.1 OLED显示在车载应用的前景

从最早作为LED数码管的时钟显示到之后在北美市场上大受欢迎的汽车收音机上的VFD (真空荧光显示器),由于功耗大、难以显示全彩化和高解析度显示而受到极大限制,同时随着LCD液晶显示技术的兴起,逐步替代了其他显示器件,成为车载显示应用上的首选。

在不断增长的汽车市场和消费者购车习惯转变的推动下,汽车制造商越来越趋向于应用更多的汽车电子来增加新的舒适功能,吸引消费者的眼球。对于车载信息娱乐应用,目前各个整车厂都投入研发应用,来应对智能手机、平板电脑等手持移动终端的挑战,汽车正在集成越来越复杂的功能,拥有更多的人机交互、更直观的驾驶辅助体验、更多的媒体影音娱乐项目以及智能车机技术等,同时也迎合了消费群体年轻化及个性化的趋势。被誉为下一代的新型的显示器件的OLED由于其自发光显示的特点[3],无需背光源,功耗低,结构简单,厚度薄,重量也轻;而且其固态结构,因此抗震性能更好;可视角度接近这些优势与当前汽车电子的安全,娱乐和节能的发展方向契合,成为OLED显示在车载领域应用上的动力[4]。

据DisplaySearch发布了的最新平板显示市场报告中显示,2013年整体OLED市场总额为103亿美金,2014年的市场总额为98亿美金,出现了负增长现象。2014年OLED电视面板市场2014年的5亿美金。2013年手机OLED面板市场在整体OLED市场中以96.7%的比重、99亿美元的市场总额达到顶峰,而2014年,手机市场占比降至85%,影响到了OLED的市场整体表现。与此同时,预计2015年智能手表等可穿戴产品所搭载的柔性OLED面板市场总额将达到7亿美金,相比2014年的2亿美金,增长3倍以上。

过去两年,全球车载显示市场每年增长三成;未来几年,每年增长还会超过三成。随着全球汽车销量的增长,车载显示应用的需求也将持续放大,车载显示市场将成为全球面板厂商激烈竞争的又一个主战场,也将迎来快速增长期。OLED进入车载应用市场也成为支撑整个OLED显示产业发展的一个不可忽视的增长点。

1.2 OLED在车载应用上突破点

2014纽约车展,亮相的路虎概念车Vision加持了诸多新鲜技术,其中最备受瞩目的莫过于“透明发动机盖”。不是真的像字面表述的那样,将发动机盖透明化。(见图1,图2)

而是运用了前置摄像头和HUD呈像技术将车头遮挡住的“裙底世界”映射到前风挡玻璃上,将巨大的风挡变成一块高清显示屏,通过呈像技术可以让我们看到了视野盲区的部分,让驾驶员有了更多的信心。

路虎还将目前的抬头显示技术HUD扩大到整个前风挡玻璃上。显示内容也不再局限于车速,转速等信息,还增加前方车辆的车况资料,行车距离,以及自己的行车虚拟路线等行车安全信息,驾驶员在安全行驶的前提下,还能对未来的交通状况进行准确判断,合理安排好路线,应对突发状况也不至于手忙脚乱。2014年底,捷豹路虎正式发布了360Virtual Urban Windscreen (360度城市虚拟风挡)技术,该技术不仅风挡玻璃上显示多种信息,此外还能通过投影使汽车A柱等盲区部分变“透明”(见图4),

实际上A柱在车内部是显示屏,而车位安放了摄像头,通过将摄像头画面传输到A柱显示屏上,最终实现了A柱部分的“透明”化。从而让驾驶员拥有更直观的视线,避免事故的发生。

以上所提及的概念的以及未来技术的导向,正是柔性OLED[5]的优势,可以为车机系统以及汽车内饰设计提供了更为“灵活”的选择和应用,除了能够和汽车内设实现无缝拼接,还可以让驾驶者更加方便的看到驾驶信息,避免分散驾驶者的注意力,以减少交通事故的发生;透明OLED还可以附在前挡风玻璃上,不加电时,如同玻璃一般有着较高的透过率,需要加电点亮时,可以为驾驶员在前挡位置提供相应的信息,而无需低头观察仪表等,能够满足安全与娱乐的结合,这又为OLED的市场开拓和车载应用找到了新的切入点。

1.2.1 柔性OLED

可实现柔性显示是在目前所有已经应用和正在开发的显示器中,OLED具有的独特性能。这种柔性显示的应用,可以制成可卷曲的电子报刊、窗帘电视、服装服饰等产品,将大大拓展显示产品的应用领域,并改变人们对显示器的传统观念。将OLED器件中的ITO玻璃基材改为具有良好的柔韧性和透光性的塑料基片(PET基片)、以及非常薄的玻璃基片,这些材料使得OLED能够弯曲,制成可弯折一定角度的柔性OLED。由于衬底的柔韧性很好,因而FOLED器件一般不易破损,更耐冲击,与普通玻璃衬底的器件相比更加耐用,但FOLED所采用的柔性基底会有些潜在影响的问题,FOLED所采用的柔性基底平整性较差,由于生产过程中各镀层的厚度都在um级别,基底材料上的不平整会导致FOLED器件的短路造成不良。车载显示对于显示产品的温度要求有较严苛,夏季太阳暴晒下,车内温度会达到85度甚至更高,这对于FOLED的可靠性是一个巨大的挑战。

1.2.2 透明OLED

常见的OLED显示器采用透明导电的ITO玻璃作为阳极,金属作为阴极,而应用透明的阴极就可以实现透明OLED显示器件[5]。透明OLED可以在后视镜镜片、车窗上,抬头显示以及仪表上应用实现多内容的显示。在通电的状态下发光,反之为透明。透明TFT和表明发射的结构的TFT也使得主动FOLED的器件得以实现[6]。

柔性和透明OLED作为轻薄的,节能的显示器件,如能够再做好安全方面的考量,应该可以在车载应用找到自己的突破口。

2、OLED在车载应用中的挑战

OLED做为车载后来者,不仅达到了技术规范上达到了要求,而且有些方面还远远超越了;能够做到色彩颜色更纯,色域更广,能展现优越的色彩表现力;OLED通过IC输出电流变化,使得施加在有机材料上的空穴载流子传输速度来控制亮暗变化,微秒级的瞬时实现所见即所得,而LCD的像素的转换,需要通过IC输出电压变化,来使得其液晶的分子进行翻转,来实现像素点的变化,一般响应时间超过10ms;OLED由于是固态有机材料的发光,能够最大程度的实现无闪烁;OLED具有接近180度广视角;能够自发光的OLED屏可以完全关闭单个像素的亮光,其对比度轻松超过100000:1,足够大的对比度范围,能够同时表现极暗极亮的常见情景,如在阳光直射下的车内仍可以清晰显示内容,不会影响驾驶员与乘客的视觉体验;

然而车载应用的显示器项目不同于其他消费电子和工业应用的项目,同时车载项目对于显示应用又有下面几方面的要求:

2.1 环境应用要求

车载应用所要面对的环境要求非常复杂和苛刻,能够适应工作温度、湿度和操作电压的大范围波动,在振动冲击及车内电磁干扰的条件下仍能正常工作。车载显示应用的要求其储存温度和操作温度从零下-30～85度,对自发光的显示器件OLED来说,能够满足这样的高低温的要求。而且其响应速度等并不会随着温度变化而变化,都要能保持在0.2ms左右,这也是OLED相比LCD的优势之一。作为固态显示器的OLED由于其内不含液晶材料在抗震性上也略胜一筹,因此OLED的设计开发阶段就要开始考虑到汽车上的电气干扰的问题,以保证产品可以达EMC的要求,也满足到EMI的标准;能够经受高温的测试,更长时间温度的循环;更长的湿度符合寿命,ESD要求,以及更大的弯曲强度实验等,能够达到车载显示的规范。

2.2 质量控制

车载显示对质量的要求较高,对于显示器件不能超过100PPM,一般都会要求供应商建立车载专用的组装和检测生产线或区域,专人专岗的生产保证产品的质量;采用TS体系的管理方法且相应关键的规格参数需进行SPC统计且满足Cpk的要求;需要比一般电子产品更严苛的检验,自动AOI的检测以及人工200%的功能检查,100%进行老化工艺,以期达到零缺陷的质量目标。然而相比于LCD,OLED的制造工艺简单了许多,除了前道基板光刻,TFT的类似,但是没有了背光组装的工序,也相应的减少了这些工位的配置和对应的检验工位的资源投入,同时其工序的直通率会较LCD,相对来说会高些,但是如果其每个工位的效率不能得到保证的话,OLED的良品率成为竞争的短板,也会影响整个生产成本。

此外,车载应用对于质量保证有着近乎苛刻的要求,一旦组装现场发现不合格产品,作为OLED显示器的供应商必须尽快做出对应的抑制措施并针对不良原因进行针对性的改进处理措施,同时需要承担由于不合格产品直接或者间接的合理的成本。包括检验、测试、返工,挑选和报废不合格产品所发生的费用,出现严重质量、安全问题必须承担车辆召回涉及的相关费用。

3、结论

综上所述,OLED在车载应用所面临挑战的对手与同为手机,平板显示和电视领域的LCD,虽然能够在技术能力上达到并超越LCD的规范,但是其劣势也极为明显,目前由于OLED产业的规模不大导致相关配套的设备,材料等问题导致的成本过大,以及生产效率较低,成为阻碍其发展的关键点,虽然能够凭借车载项目周期长,需求量稳定,成本压力较小等特点缩短与LCD竞争的劣势,但是如果不能提高OLED的质量和可靠性,将会在车载应用上折戟。同时,需要密切关注车载应用的未来技术趋势,并利用FOLED和TOLED独有的柔性显示和透明显示的优势,有望弯道超车,成为的车载显示领域上的领跑者,满足并超越汽车电子应用对于安全、娱乐、节能要求,成为引领人机交互和智能车机技术的重要选择。

参考文献

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[2]李文连等.有机电致发光的效率,液晶与显示,第16卷第2期2001(6),120.

[3]应根裕,胡文波,邱勇.平板显示技术[M].北京:人民邮电出版社,2002.357-359.

[4]陳金鑫,黄孝文.OLED有機電激發光材料與元件[M].五南出版社,2005.

[5]徐征,宋丹丹,赵谡玲等.OLED、柔性、透明化显示技术及有机发光材料的发展和挑战[J].现代显示,2009,(6):5-10.

OLED微显示器 第7篇

u C/GUI是著名的u C/OS-II开发者Micrium公司的另一个优秀开源软件,是专为嵌入式应用而设计的、可移植、可裁减的图形用户界面系统软件[1]。u C/GUI可为任何使用图像LCD的应用程序提供高效的、独立于处理器和LCD控制器的图形用户接口[2]。u C/GUI可用于单任务和多任务嵌入式系统中,全部代码用C语言完成,可方便地移植到各种CPU上[3,4]。

有机发光二极管(简称OLED)具有纤薄、可制成各种形状、占用空间小等优势,它是继白炽灯、荧光灯、LED之后的又一次光源革命。由于它节能、环保、寿命长而应用广泛,被列入我国战略性新兴产业[5]。和LCD相比,OLED具有体积小、亮度高、视角宽、自发光、低功耗、寿命长、动态范围广和可弯曲等诸多优点[6]。

由于u C/GUI主要是为LCD设计的,向各种LCD显示器的移植不仅简单,而且执行效率非常高。OLED有着与LCD不同的控制方式和RAM映像,虽然按常规方法将u C/GUI移植到OLED显示器并不困难,但执行效率非常低。这既不符合嵌入式系统严苛的实时性要求,也没有充分发挥u C/GUI的优势。

本文在分析u C/GUI系统特点的基础上,先给出了实现OLED最小显示系统的移植方法,然后结合OLED显示的特点,设计了全新的程序结构并对关键代码进行了优化,提出了快速判决算法,不仅提高了软件的执行效率,且快速实现了复杂的处理。

1 OLED显示器及操作方法

本文所使用MCU是Cortex-M3系列芯片STM32F105,OLED为单色128×64点阵显示器,驱动芯片为SSD1303。MCU与SSD1303的连接采用并行方式,如图1所示。

图中PC0至PC7按8位I/O端口操作,其他四根控制线则按位进行输出操作。操作宏的定义如下:

SSD1303最大可驱动132列64行点阵显示器,内部有132×64位显示SRAM,MCU可对它进行读写操作。该SRAM的位和显示点阵的映射关系如图2所示。

显示点阵的64行分为8页,每页8行;页中的每一列映射为SRAM的一个字节,位序为bit7至bit0,每页中的132列映射为SRAM中连续的132个字节。读写一个SRAM字节的代码如下:

读(写)一个SRAM字节的处理需要92(95)条汇编指令,代码长度为109(110)个字。

2 OLED最小显示系统的u C/GUI移植方法

本文使用的是V3.94版的u C/GUI,移植过程分为添加源程序、修改配置文件和编制关键代码三部分。

2.1 添加u C/GUI源程序

u C/GUI的可裁剪性表现在其源程序按函数功能可细分为许多独立的小源程序文件,如GUI_Disp Chars.c文件只含GUI_Disp Chars()一个函数,仅两行代码!简单地将所有u C/GUI源程序都添加到项目文件中,对支持smart链接(仅链接用到的模块)的编译器来说不会增加目标代码的尺寸,但臃肿的项目文件不符合u C/GUI短小精干原则和“绿色”编程精神。好的做法是在项目文件夹中创建一个与u C/GUI软件包Start文件夹类似的两层共五个文件夹:

需要添加的具体源程序文件是:

Config下的GUIConf.h和LCDConf.h。

Core下的GUI.h、GUI_Conf Defaults.h、GUI_Disp Char.c、GUI_Disp Chars.c和GUI_Disp String.c等30个文件。

LCDDriver下的LCDDummy.c,该文件包含了移植中所有需要修改的函数。

Font下的F8x16.c(本文仅使用了8×16点阵字符集)。

2.2 修改u C/GUI配置文件

文件LCDConf.h中符号的修改:

其中的1303表示SSD1303,没有特殊含义,其用法见下文。

文件GUIConf.h中符号的修改:

2.3 编制关键代码

移植只需对LCDDummy.c里的相关代码进行修改即可,基本系统的移植仅需修改三个函数:

(1)初始化代码

u C/GUI初始化由GUI_Init()完成,调用的一系列函数中仅GUI_X_Init()和LCD_L0_Init()需要修改。GUI_X_Init()用于初始化GUI运行之前需运行的硬件,本文系统没有这样的硬件,仅在LCDDummy.c中设置一个空的GUI_X_Init()函数即可。初始化移植只需将LCD_L0_Init()对LCD_INIT_CONTROL LER()的调用替换为对OLED控制器SSD1303的初始化处理就行了。

(2)设置像素代码

模板中设置像素函数是一个空函数,移植后的代码如下:

(3)读取像素代码

模板中读取像素函数是一个仅返回0的函数,移植后的代码如下所示:

另外,必须将原始LCDDummy.c的编译条件:

#if(LCD_CONTROLLER==-1)&&(!defined(WIN32)‖defined(LCD_SIMCONTROLLER))改为:

#if(LCD_CONTROLLER==1303)才能通过编译。

3 OLED显示代码的优化设计

3.1 OLED显示代码存在的问题

上述移植完成的u C/GUI虽然能够正确地实现OLED的显示处理,但其执行效率非常低。分析u C/GUI的代码发现,所有显示处理最终都是通过LCD_L0_Set Pixel Index()和LCD_L0_Get Pixel Index()两个函数实现的,而单独对每一个像素处理并没有充分利用OLED显示器的特点。

首先,向OLED显示器读写一个像素与读写一页中该列的8行像素的处理量完全一样。在上述读(写)SRAM字节代码中,设置地址(页号和列号)的指令数多达72条,占总代码92(95)条的78.3%(75.8%)。而实际上OLED显示器内部有一个可以自动加1的地址计数器,仅需设置一次页号和列号,就可以连续读写最多达132个SRAM字节,这一特性在上面的代码中完全没有利用。

以显示一个8×16点阵的字符为例,需要调用128次设置像素的函数,共需执行207×128=26 496条指令。而实际上需要设置SRAM的字节数量最多24个(若字符起始行正好在页边界上则仅为16个),如果连续设置,仅需设置3次地址和写信号((72+6)×3=234条指令),然后3次连续写8个字节(13×8×3=312条指令),总指令数量为546条,是逐像素处理的2.06%。可见,提高显示处理速度存在很大的空间。

3.2 新的处理策略和关键代码

为了充分利用OLED显示的优势,必须将像素的逐点处理改为批量处理,为此本文设计了新的处理策略:在MCU内存中设置一个OLEDSRAM的映像空间OledRam Map,同时设置一个SRAM更新标志OledRam Update Flag:

OledRam Map的每一个字节在OledRam Update Flag中都有一位标志表示该字节是否更新。所有处理像素的函数都不直接访问OLED的SRAM,而是对OledRam Map和OledRam Update Flag进行设置,必要时由更新函数Update Oled Disp()按更新标志将OledRam Map写到OLED的SRAM中。

OledRam Map和OledRam Update Flag在初始化时被清零,OledRam Update Flag在每次更新后也清零。新策略关键代码的实现如下所示:

Update Oled Disp()的处理流程如图3所示。

3.3 更新处理的进一步优化和快速判决算法

上面的更新处理算法在更新数据分片位于连续空间的情况下效率确实很高,但在更新数据零碎且分散的情况下,效率并不高。最坏的情形是更新标志为1和0交替出现,此时要为每一个需更新的数据设置地址。分析发现,送一次数据需13条指令,而设置一次地址需要76条指令,是送数据的5.8倍。也就是说,如果两个需要更新的数据间不需要更新的数据数量小于6个时,就应该连续发送这些无需更新的数据而不重新设置地址。

为此,在更新标志由1变0时要根据该0后面连续4个标志位的16种情况来决定是否停止发送数据。由于标志由1变0出现的位置有8种(按字节访问的),因此共有128种情况。显然,为决定是否停止发送数据而进行128种判决处理是完全不可接受的。本文设计了快速算法,通过逻辑运算和查表操作,仅需一次判断便可得出判决结果。实现方法如下:

新算法的原则是:如果判决结果是继续发送数据,则将当前0标志及后面4位中某些0标志置位即可。这样可保持处理的简洁性,少增加新的分支。此外,当前0标志的8个位置中,有4个位置的后续4位将延伸到下一个标志字节,因此必须将连续16个更新标志用一个U16变量Cnt Flag W联合处理。而检测字Mask W也由0x8000移位至0x100,新增一个与此对应的变量Bit Shift由0变至7。设置一个判决门限数组Flag Level如下:

令Tmp=Cnt Flag W&(Mask W-1),

如果Tmp≥Flag Level[Bit Shift],则应该继续发送数据,此时应将Cnt Flag W修改为:

Cnt Flag W|=Flag Set V[(Tmp>>(11-Bit Shift)])<<(11-Bit Shift)

其中Flag Set V的定义如下:

例如,若Cnt Flag W=101000X(X表示后面10个无关二进制位,以下同),此时Mask W=0x4000,Bit Shift=1,Tmp=CntFlag W&0x3fff=001000X,显然Tmp≥Flag Level[1]=0x200,应该继续发送数据且将Cnt Flag W与Flag Set V[8]<<10=0x4000逻辑或,变成111000X。此处的三个0是不能置位的,因为X的前3位为0时,后面的第1个0处应该停止发送数据。如果Cnt Flag W=101001X,也应该继续发送数据且将Cnt Flag W与Flag Set V[9]<<10=0x16<<10=0x5800逻辑或,变成111111X。对于Bit Shift=1时,仅Cnt Flag W=100000X且X的第一个位为0的情况下Tmp的最大值是0x1FF,才会停止发送数据,此时从当前0标志开始已经有6个连续的0标志了。对于Bit Shift为其它值的情况与此完全类似。

另外,如果连续的8个标志都是0,则无需进行最内层的Mask W移位循环,从而进一步提高了速度。改进后的更新处理流程如图4所示。

3.4 优化结果的性能分析

1)更新处理改进前后的性能比较

通过在实际代码上对标志位各种组合共32类情况的精确测试分析,在0和1标志交替出现,较短(5个以内)连续0标志和较长(8个及以上)连续0标志的情况下,改进后都变快。仅在6至14个连续0标志且非整字节0标志的情况下,改进后速度基本没变(最慢0.95)。大量连续0标志的情况下,改进后速度提升最多,最大为8.704倍。

2)优化前后显示字符的性能比较

优化前,显示一个字符设置像素的指令数量为26 496条;优化后设置像素函数仅30条指令,显示一个字符设置像素的指令数量为30×128=3840,而更新处理(按最多的24字节算)则需要1330(全0标志)+666×1(送24字节)+252(设置3次地址)-12×1(减去0标志已含)=2236,共6076,速度提高了4.36倍。同理,连续显示N个字符再更新的速度比如表1所示。

可见,一次更新处理前显示的字符越多,优化方案的速度提高越大。如果考虑到实际应用中显示区域重叠的情况,本文方案的优势就更大了。

3)可优化的其它处理函数和使用注意事项

(1)其他可以优化的函数

模板中的绘制函数LCD_L0_Draw HLine()、LCD_L0_Draw VLine()和LCD_L0_FillRect()也可以进行类似的优化。另外,由于经常会对全屏进行无条件更新,特编制一个将OledRam Map[]无条件传送到OLEDSRAM的函数,其执行速度分别是上面改进前后更新处理代码的1.497和1.596倍。

(2)关于显示颜色

在使用颜色设置函数GUI_Set Color()和GUI_Set Bk Color()时需要特别注意。虽然单色OLED仅需0和1两种颜色,但u C/GUI系统的颜色仍然是由红r、绿g和蓝b三个分量构成的U32类型(即r×65536+g×256+b),要想将颜色设置为1,必须保证r+g+b≥(255×3/2)=383。如GUI_Set Color(0x80ff)将前景色设置为1,而GUI_Set Color(0x7fff)则将前景色设置为0。

4 结语

本文给出的处理方法已在实际硬件上进行了完整的测试和验证,因移植u C/GUI而增加的代码为7754 B、点阵数据3374 B、RAM空间1488 B(含SRAM映像1024 B和标志128 B,实际u C/GUI使用的空间为336 B)。而不用u C/GUI实现的仅有字符(且只能在整页地址行上)显示的代码,其长度是:代码2040 B、点阵数据3376 B、RAM空间16 B。相比之下,具有强大功能和易用、易扩展性的u C/GUI的确是短小精干,具有很大的优势。此外本文所述的方法同样适用于彩色OLED,而其中的快速判决思想则可应用到其它类似的软件设计中。

参考文献

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[5]刘飞.OLED照明技术及应用进展[J].照明工程学报,2014,25(3):93-97.

[6]刘勇.基于MSP430F149的OLED显示系统的设计[J].电子技术与软件工程,2013(21):177-179.

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OLED微显示器 第8篇

毛细管电泳芯片是微流控生物芯片的一种,广泛应用于蛋白质组分研究、药物筛选、基因诊断等生化分析领域[1,2]。阵列毛细管电泳芯片由于能够同时对多种分析样品进行并行检测,效率更高、成本更低,已成为生化分析领域前沿的研究热点之一[3,4]。在利用毛细管电泳芯片进行生化分析的过程中,被测样品的组分及含量等相关信息由检测系统来测定。由于毛细管电泳芯片中毛细管的内径一般为10 ~ 100μm,样品进样量极少,因而对检测系统的灵敏度、分辨力及响应速度都有较高的要求,检测系统的性能将直接决定毛细管电泳芯片分析系统的整体性能[5]。

对于毛细管电泳芯片分析系统来说,微型化和集成化是该技术比传统毛细管电泳和色谱技术具有的突出特色和优势,也是其进一步发展的主要方向。如果能够将激发光源集成在电泳芯片上,不仅会进一步减小系统的体积,并有可能利用偏振隔离手段实现多波长激发光对不同荧光试剂的同时检测。在这一思想的指导下,本文开展了基于有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode, OLED)激发光源[6,7,8]的毛细管电泳芯片检测系统研究。

1 检测系统的结构

垂直层叠结构的毛细管电泳芯片OLED诱导荧光检测系统整体结构如图1所示,主要由光路系统、CCD光电转换器件、信号处理单元等部分组成。

光路系统中使用的器件主要有绿光OLED光源(中心发射波长为520 nm,有效发光面积1 mm2,驱动电压为8.5 V),PDMS聚焦透镜(使入射光会聚到一点,半径2 mm、3 mm、4 mm可选),两片偏振方向互相垂直的线性玻璃偏振片(Edmund Optics NT-66182,波长400 ~ 700 nm范围内的消光系数为10000:1),针孔(使电泳谱图的半峰宽维持在一个较小的范围内便于数据处理,直径为1 mm)等。

系统中选用的CCD为高灵敏度线阵器件TCD1304AP,其灵敏度高达160 V/lux·s,光谱响应峰值波长为550 ~ 750 nm,可用来检测本系统中绿光OLED光源激发出的峰值波长为580 nm的荧光信号。

信号处理单元采用Cypress公司生产的CY7C68013芯片搭建数据采集卡,利用FPGA搭建数据采集系统;光电转换器件采集到的荧光模拟信号经高速A/D转换芯片后,由数据采集系统的USB模块上传到上位机进行处理。上位机加载USB驱动后,将电路板通过USB接口与个人计算机相连,打开数据采集程序后进入用户界面,用户对系统参数设置后即可进入荧光信号采集状态。

在搭建光路系统时,需将OLED激发光源、PDMS聚焦透镜、针孔三个单元尽量保证三点一线对齐,以确保绿光照射到毛细管电泳芯片的检测点上激发出荧光信号。此外,CCD器件的光敏单元需与电泳芯片分离通道上的检测点对准。

2 系统的设计及实现

2.1 绿光 OLED 器件的设计、制作与性能测试

设计的OLED器件属于典型的多层下发光结构,利用光刻、有机分子束沉积技术和传统的封装技术制作而成。器件的结构如图2所示。其中,NPB:Mo O3(15 nm)、NPB(25 nm)、3DTAPBP(10 nm)、Tp Py PB(30nm)分别为空穴注入层、空穴传输层、电子/激子阻挡层和电子传输层,POAPF:Ir(ppy)3(30 nm)为发光层,ITO和Li F/Mg:Ag(100 nm)分别为阳极和阴极。

绿光OLED器件的制作过程如下:1将ITO玻璃衬底分别采用Decon 90清洗液和去离子水进行超声清洗,经氮气吹干、烘箱烘干后进行5 min紫外臭氧处理;2利用沈阳立宁真空技术研究所的LN-182A多源有机气相沉积系统,在ITO玻璃衬底上制备有机多层薄膜,薄膜生长过程中所用的材料被分别放置在不同的蒸发源(石英坩埚)中,每个蒸发源的温度可以单独控制,按照设计的结构分别生长不同的有机材料。在生长过程中,系统的真空度维持在5.0×10-4 Pa左右,衬底放在真空室上部距蒸发源25 cm位置处,它可以自转和公转以保证有机膜的均匀性,材料生长的厚度和速率可根据设计的结构由仪器进行控制[9]。

为考察所制备的OLED器件的性能,在大气和室温(25℃)条件下,利用Keithley 2400数字源表、柯尼卡美能达LS-110亮度计和海洋光学Maya 2000 Pro光纤光谱仪,对OLED器件的发光光谱和电压-电流特性进行了测试。其中,绿光OLED器件的发射光谱与被测样品罗丹明B的吸收光谱如图3(a)所示,电压电流(亮度)特性如图3(b)所示。

从图3中可以看出,OLED器件的峰值发射波长为520 nm,半峰宽约75 nm,最大驱动电压为8.5 V,亮度为41 000 cd/m2。选用的罗丹明B样品的吸收光谱峰值波长约为550 nm,与OLED发光器件的峰值波长相差不大,因此制作的OLED器件可以用来激发罗丹明B样品发出荧光信号。

2.2 微透镜阵列薄膜

对于有机电致发光OLED器件,在玻璃与空气之间的界面上,入射角大于临界角的光会发生全反射,进而导致30%的发射光将在玻璃基底内传播而不能耦合到空气中。在ITO层或有机层中以波导模式传播的光将会损失约50%。因而OLED器件的外量子效率通常只能达到20%左右,这在很大程度上限制了其在实际中的应用。

为了削弱玻璃与空气界面之间的全反射现象,使大于临界角的出射光耦合到空气中,可利用周期性的微结构来实现。为此通过在玻璃基底贴附微透镜阵列(Micro Lens Array, MLA)薄膜的方法来实现此目的。当OLED器件基底贴附MLA薄膜时,出射光从由平面玻璃射入空气变成了由MLA进入空气,MLA结构改变了出射光在玻璃与空气界面的入射角及全反射临界角,破坏了玻璃与空气界面的全反射条件,将玻璃基底中的光萃取到空气中,从而达到提高OLED器件外量子效率的目的。

实验中使用的半球形微透镜阵列直径约为60μm,占空比约为80%,基本处于最佳工作状态。贴附微透镜阵列薄膜前后的OLED器件发光强度随角度变化的特性曲线对比如图4所示。从中可以看出:贴附微透镜阵列薄膜后,器件的发光强度得到了增强。此外,随着观察角度的变化,器件发光强度的变化没有未贴附微透镜阵列时明显,角度特性得到了改善。

2.3 毛细管电泳芯片结构设计

检测系统中使用的四通道毛细管电泳芯片如图5所示。芯片通道单元结构为基本的十字构型,尺寸为40 mm×80 mm。其中,微通道深60μm,宽约100μm(深40μm处),样品进样通道长10 mm,分离通道长40 mm,相邻两分离通道间的距离为6 mm,十字交叉点处离检测点的距离为30 mm,储液池直径为2 mm,容积约为5μL。此外,设计的支撑网格起到更有效封接基片和盖片的作用。

2.4 芯片电泳条件

每次电泳实验前,分别使用1 mol/L的Na OH溶液、去离子水和缓冲溶液清洗毛细管电泳芯片微通道。实验过程中使用如图6所示的电动进样模式进行荧光染色剂罗丹明B样品的进样。进行电泳操作前,首先取适量罗丹明B储备液稀释在无水乙醇中,配制成一定浓度的样品溶液,然后将缓冲液和样品加入各自的储液池中。进样阶段,样品从样品池(600 V)迁移至样品废液池,缓冲液池和缓冲废液池的电压分别为400 V和600 V,样品废液池电极接地。进样30 s后,高压电源切换,十字交叉口处的样品从进样通道进入分离通道进行分离及检测,此时缓冲液池施加800 V电压,样品池和样品废液池电压均为600 V,缓冲废液池电极接地。每次电泳操作结束后,立即用去离子水清洗芯片微通道,以免缓冲溶液水分蒸发堵塞通道。

3 测试结果与讨论

3.1 聚焦透镜半径对检测效果的影响

分别进行四组实验,考察OLED光源在不使用透镜及使用小透镜(r = 2 mm)、中透镜(r = 3 mm)、大透镜(r = 4 mm)情况下的聚焦效果。在实验过程中,保持OLED器件的驱动电压为8.5 V不变,CCD积分时间最短,大约为20μs。检测到的实验数据如表1所示。

从数据中可以看出:当系统使用不同半径的透镜后,OLED光源照射至测试样品上的光强均比不使用透镜时得到了不同程度的增强,这说明配置微透镜起到了会聚入射光的作用。其中,以中透镜效果最为明显,光强比没有透镜时增强了约2.5倍,而小透镜和大透镜增强效果不如中透镜。这主要是由于本实验要求透镜紧贴OLED器件,进而导致中透镜聚焦效果优于其它两者。因此,在后续的实验中半径为3 mm的透镜作为会聚透镜被置于CCD检测器件的前端,以使微弱的荧光信号得到会聚增强。

3.2 CCD 积分时间对检测结果的影响

CCD积分时间的长短决定了电子快门的开启时间,进而影响到每次荧光信号采集过程中积分电荷的数量[10]。为考察CCD积分时间(采样灵敏度)对检测结果的影响,设计实验如下:使用浓度为1.0×10-2 mol/L的罗丹明B样品在OLED诱导荧光检测系统中进行电泳分离,OLED光源的驱动电压为8.5 V不变,针孔直径为1 mm,CCD使用同一像素区域,只通过数据采集程序控制面板上的“积分时间设置”对话框来改变采样灵敏度,其值的范围为1~9。其中,选取2~4、7~9档时得到的检测结果如图7所示。

由测试结果可以看出:在相同的实验条件下,不同的采样灵敏度将直接影响到最终的检测结果。这是由于相同的OLED激发光源通过相同的光路系统后,照射至同一浓度的分离样品时激发出的荧光信号强度虽然相同,但CCD积分时间越长,单次采集到的荧光信号积分电荷数量就越多,响应曲线的峰值就越大。此外,当采集灵敏度档位设为8时,荧光信号已达到CCD光强响应量化值的峰值4 050,此时即使档位设置为9,响应曲线也将一直维持在4 050的峰值,如图7(e)和(f)所示。因此,为最终得到理想的检测效果,检测过程中应根据被测样品的浓度灵活选用CCD器件的积分时间。

3.3 OLED 诱导荧光检测系统检测结果

为考察所搭建荧光检测系统的性能,设计实验如下:OLED光源器件的驱动电压设定为8.5 V,PDMS聚焦透镜半径为3 mm,两偏振片之间的相对偏振角度为90°,针孔直径为1 mm,CCD积分时间档位选为9,选用同一像素区域,毛细管电泳芯片选用单元结构为“十”字构型的四通道芯片;分别向芯片进样通道中注入浓度为1.0×10-6 mol/L、1.0×10-5 mol/L、1.0×10-4 mol/L、1.0×10-3 mol/L的罗丹明B样品溶液进行毛细管电泳分离实验。进样电压设置为:样品池600 V,样品废液池0 V,缓冲液池400 V,缓冲废液池600 V;分离电压设置为:缓冲液池800 V,样品池、样品废液池均为600 V,缓冲废液池0 V。为了更清楚地分析不同浓度样品在上述检测条件下的电泳分离结果,截取CCD器件检测曲线中峰值附近像素点的检测结果,如图8所示。图中横坐标表示CCD器件在峰值处的像素点数,纵轴表示像素点所对应的荧光信号相对强度。

从检测结果可以看出:不同浓度的罗丹明B样品,在相同积分时间下的响应曲线不尽相同,样品溶液浓度越高,对应的响应曲线峰值越大。这是因为强度相同的激发光源对不同浓度的样品激发出的荧光信号强度不同,样品浓度越大,相同积分时间内积累的电荷数量越多,激发出的荧光信号强度也就越大,进而导致响应曲线的峰值越大。

4 结 论

为进一步提高毛细管电泳芯片检测系统的集成度、降低成本、减小体积,制作出以POAPF:Ir(ppy)3为发光层的多层复合结构OLED器件,并对其光谱、亮度特性进行了测试分析。针对OLED器件发光亮度较低,导致荧光检测系统检测信号相对较弱的问题,采用在器件的玻璃基底表面贴附微透镜阵列薄膜的方法,提高入射光的强度。利用研制的OLED器件作为光源,通过偏振片、针孔、微透镜阵列、微小透镜及CCD光电探测器,组建了基于OLED的集成度较高的多通道毛细管电泳芯片检测系统,实现了对罗丹明B样品溶液的电泳分离检测。

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