基于AM－OLED立体显示接口电路的设计

卓 斌，石俊生＊，邰永航，云利军

（1.云南师范大学 颜色与图像视觉实验室，云南 昆明650500；2.云南师范大学 计算机科学与信息技术学院，云南 昆明650500）

1 引 言

随着立体技术的发展，立体显示器的核心部件从小型CRT发展到目前的有源矩阵有机发光二极体面板（AM－OLED）。由于OLED 显示器刷新率高、宽视角、高对比度、高亮度、低功耗等特点，被越来越多地应用到近眼立体显示系统［1］。国外的立体显示技术相对比较成熟。2006年，eMagin开发出全球第一款支持3D功能的头戴显示器“eMagin Z800 3DVisor”，该头盔配备双1.27cm（0.5in）、800×600分辨率OLED 微型显示芯片［2］；2011年12月，Sony推出头戴式3D 显示器HMZ－T1配备最新研发的1.778cm（0.7in）1 280×720分辨率的OLED面板，可以实现20m 观看1 905cm（750in）巨幕的3D效果；2012年1月，美国SMD公司发布了一款分辨率为1 920×1 080全高清3D头戴式显示器ST1080，该显示器头戴重量只有180g［3］。国内主要是一些高校对头盔立体显示有较多的研究。东南大学设计并实现了分辨率为1 024×768，子场刷新率为180Hz的LCOS彩色头盔显示器，能够实现彩色视频图像的实时显示；北京理工大学程德文、王涌天等人采用FFS棱镜等新型光学元件，利用新的像差理论和优化设计方法对HMD 目视光学系统进行优化设计，可以使HMD光学系统在满足系统视场和出瞳要求的同时使其重量大大减轻，结构更为紧凑［4］。本文采用双VGA 接口作为视频输入接口，双AM－OLED微型显示器为立体显示面板，利用人眼的双目视差原理和SVGA050微显芯片立体显示功能，最终通过光学放大系统实现立体显示。该方案将双路视频信号分别成像于双眼之前，明显地减小了双眼之间的串扰现象，通过调节双显示芯片之间的距离和光学系统的焦距，可以获得最佳的立体效果。

2 立体显示系统接口电路设计

基于AM－OLED 的结构与特点，设计系统硬件接口电路如图1 所示，视频解码模块采用AD公司的视频解码芯片AD9883，用于对外部输入的VGA 视频信号进行解码；控制模块采用Microchip公司的控制芯片PIC18LF2550，主要用于对解码芯片和OLED 显示模块的寄存器配置；电源模块分别产生1.8V、3.3V、5V 的电源为各个模块提供电源支持［5］；显示模块采用的是奥雷德公司最新推出的1.27cm（0.5in）AM－OLED显示模块SVGA050。立体显示接口电路分为两部分：母版和OLED 板。

图1 系统硬件接口电路设计Fig.1 Design diagram of the hardware interface circuit

2.1 母版设计

母版包括MCU 控制模块和电源模块。控制核心采用Microchip公司的高性能、低功耗控制芯片PIC18LF2550，该MCU 在空闲状态时功耗只有5.8μA，处于睡眠状态时其功耗更是低至1.8μA［6］。主同步串口模块支持3线SPI和IIC主从模式，其作用是通过IIC 总线对AM－OLED显示器和AD9883中的寄存器参数进行设置［7］。系统面板中包括MODE、UP、DOWN 共3个功能按键，其中MODE 为模式选择键，功能为循环切换对比度、亮度、测试图案、视频输入4种；UP 和DOWN 为上、下调整键，可在不同模式时对具体参数进行调整。

在系统中，要求提供电源的主要有控制芯片PIC18LF2550（3.3 V）、微显芯片SVGA050（1.8V 和5.0 V 双 路）、解 码 芯 片AD9883（3.3V），而USB输入5V 电源，因此在设计时选用了两个DC－DC模块将5V 电压分别转换成3.3V 和1.8 V。为了降低功耗和延长使用寿命，要求SVGA050 在不工作时将其电源断开，因此选用了具有使能控制端的DC－DC 模块，当长时间不操作时MCU 可以切断SVGA050的电源。

2.2 OLED板接口设计

OLED 板主要由显示芯片SVGA050和解码芯片AD9883构成。本系统采用云南北方奥雷德公司 最 新 开 发 的800×600 分 辨 率、1.27cm（0.5in）主动型数字微显芯片SVGA050，支持IIC接口和双目3D 应用。该微显芯片提供条纹、方格等多种内部测试图案，并支持VGA、NTSC／PAL等多种视频系统［8］。由于系统的视频输入为VGA 模拟信号，故需要A／D 转换芯片。本系统采用的解码芯片是AD 公司生产的一款A／D转换芯片AD9883，实现对PC机显卡输出的模拟RGB信号进行高速8位A／D 转换。其最大转换速率可达110 MSMP，模拟带宽达500 MHz，额定功耗低至500 mW，支持多种同步信号输入方式，通过IIC总线完全可编程［9］。

图2为OLED 板的结构框图。R、G、B 为三路视频信号输入端，HS、VS分别为行同步和场同步信号，P＿SDA、P＿SCL 分别为IIC 串行总线的数据输入和时钟输入。从图中可以看出，用户只需要给该微显芯片提供电源，并通过IIC 总线对内部寄存器进行合理的配置，即可将外部输入的模拟视频信号在OLED 面板上正确显示出来。

图2 OLED 板结构框图Fig.2 OLED panel structure diagram

2.3 各模块寄存器IIC配置

在本系统中，各个模块寄存器配置是MCU通过IIC总线来实现的。对于IIC，只有两条总线线路：一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL）。很明显，OLED 只是一个接收器。显示器地址（Slave Addr）可以通过SelAdr0引脚进行选择。默认SelAdr0通过内部10kΩ 电阻已上拉至高电平（1.8 V）。双目应用时，将其中一个显示器SelAdr0接地。对应显示器读／写地址如表1所示。在本系统中，通过设置两片OLED 显示器的SelAdr0引脚分别为高电平（1.8V）和低电平（接地），使对应显示器的地址分别为1EH 和1CH，则MCU 可以通过IIC 总线根据两片显示器不同的地址进行寄存器值配置。AD9883的采样时钟通过配置锁相环（PLL）生成，可使用行同步信号（HSYNC）作为参考时钟，然后经倍频得到A／D 转换器所需的采样时钟。通过对解码芯片AD9883内部25个寄存器的设置，即可实现相应的功能。

表1 显示器地址与SelAdr0引脚设置表Tab.1 Slave address and selAdr0configuration list

主控程序在PIC单片机所需的MPLAB IDE环境下编译，主要包括IIC、USB等头文件的定义和main函数的编写，main函数的主要功能是实现了各模块的初始化和寄存器的配置。系统上电时，MCU 首先对各个模块进行初始化配置，让其工作在默认的模式状态下。其次，系统母版中包含MODE、UP、DOWN 3 个功能按键，循环切换功能键如图3可使主函数分别对显示器的对比度和亮度进行调整以及测试图案和视频输入的切换。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow chart

3 立体显示功能的实现

本三维显示方案根据人眼视觉中的双目视差原理而设计。双目视差是由于两眼在空间中的位置和视角不同，同一景物在两只眼睛视网膜上形成非常相似但又稍微不同的影像，即双目视网膜影像的不一致［10］。

在本系统方案中，为了实现立体显示要求，根据双目视差原理，需要利用SVGA050显示器的3D 显示功能实现视频源的立体显示。SVGA050显示器在逐行扫描模式下，3D 视频信号采用帧序模式；在隔行扫描模式下，3D 视频信号采用场序模式。帧序或场序3D 视频显示通过3D 信号引脚和SVGA050显示器的02H 寄存器配合实现，如表2，02H 寄存器的功能是设置3D 视频显示格式，包括3D 使能和3D 刷新。当3D 引脚电平状态和02H 寄存器3D 设置一致时，SVGA050 视频信号数据输入有效，显示器更新为当前输入的帧／场数据，若不一致时，显示器维持显示上一帧／场的数据。3D 引脚信号在场同步下降沿被锁住。3D 显示时序示意图如图4。

表2 3D功能控制设置Tab.2 3Dfunction control

图4 3D 显示时序示意图Fig.4 3Dvideo display timing

在本系统中，SVGA050 显示器在逐行扫描模式下，3D 视频信号的输出采用帧序模式，奇数帧更新左眼显示，偶数帧更新右眼显示。光学系统采用奥雷德公司研发的P130X－001－RB型双目目镜模组如图5，光学放大倍率达13×，适用于1.27cm（0.5in）SVGA OLED 微型显示器，通过光学系统放大后，摄入人眼的图像经过调整后即为三维立体图像。

图5 P130X－001－RB型双目目镜Fig.5 P130X－001－RB binocular eyepiece

4 实验测试与分析

图6给出了立体视频显示系统的实物图。双目立体显示系统要求视频经光学系统放大后，能够实现清晰的近眼显示。为了验证方案的可行性，我们设计了实验平台。PC 机的设置参数是：屏幕分辨率为800×600，刷新率为120 Hz。PC机显卡输出的单路VGA 视频信号通过VGA 转换器，转换成双路VGA 视频信号输入母版，左右两块OLED 板上分别显示视频源的奇数帧和偶数帧图像。根据实验观察者瞳距的大小，调节光学系统的焦距和双微显芯片之间的距离，从而实现了立体图像显示。

图6 AM－OLED立体视频显示系统Fig.6 AM－OLED stereo video display system

5 结 论

设计开发了一套基于AM－OLED立体显示接口电路系统。该系统由USB 提供电源，通过PC 机VGA接口输出视频源，各模块寄存器的参数是在主控芯片PIC18LF2550的控制下通过IIC串行总线进行配置，可以将PC机上播放的立体视频源同时在两块OLED面板上实现奇数帧和偶数帧显示，根据人眼的双目视差原理，最终实现了视频源在双1.27cm（0.5in）、800×600分辨率SVGA050微显芯片上的立体显示。该立体显示接口电路软硬件操作简单、功耗低，具有很高的实用价值。该方案的实现对于民用头盔式立体显示系统的研究起到很大的推动作用。同时，也为后续人眼立体视觉特性的研究提供了实验平台。

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