一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度调制方法及其装置与流程

本发明涉及显示器技术领域，特别涉及一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度调制方法及其装置。

背景技术：

近年来，由于对显示器低功耗和户外阅读的需求而使反射式显示器件备受关注，其中有一种新型反射式电润湿（电润湿又名电湿润）（Electro Wetting Device，EWD）显示器件，因其是基于加电状态下对极性液体的控制下实现显示，故而相对于其他的反射显示器件而言反应速度较快，同时也能实现高亮度、高对比度、低能耗。但如何在电润湿器件上显示图像甚至视频仍有很大的进步空间。为了能够在电润湿显示器上实现图像和视频的显示，必须能使电润湿器件实现灰度的显示。

一般实现文字、字符、图像和视频显示的电润湿显示器件结构有段式和矩阵式两种：段式结构一般由一个大面积公共电极和各个电润湿单元引出的段式电极构成，在公共电极和段式电极施加驱动信号就可以实现所需的显示；而矩阵式结构一般将构成矩阵单元的电润湿显示单元的上下电极按所处的行列位置分别进行并联引出，形成行电极和列电极，分别在行列电极上施加驱动信号，就能够实现所需的显示。电润湿器件又分无源和有源驱动，它们的主要区别在于每个电润湿单元上是否有集成薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT），这两种显示器在驱动上基本类似，但是具有集成TFT的有源器件性能优于一般的无源器件。目前常用的灰度显示调制方法有脉宽灰度调制和电压幅度调制常用的脉宽灰度调制技术中，采用与输入图像数据相对应的脉冲宽度信号来驱动电润湿器件。常用的电压幅度调制技术中，采用与输入图像数据相对应的电压幅度信号来驱动电润湿器件。但是由于典型的电润湿显示器件的显示亮度（或开口率）与驱动电压之间是非线性关系，而一般的脉宽调制和电压幅度调制采用等间隔增量的时间或者电压激励器件后产生的器件亮度（或者开口率）增量是非等间隔的（非线性的）即相同的脉宽或者电压增量却得不到相同的亮度增量，而得到灰度调制响应量有大有小的结果，因此采用一般的脉冲宽度调制和电压幅度的调制很难实现精准的灰度等级的还原显示，从而导致所还原显示的图像灰度不精准，图像失真严重等诸多问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制方法及其装置。

一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制方法，其特征在于，包括：依据电润湿器件相对亮度或开口率与驱动电压关系曲线的非线性，采用将一般线性灰度数据变换为非线性灰度调制的灰度数据变换方法，控制产生不等增量的非线性幅度变化的电压与一行扫描器单元输出的电压共同作用于电润湿显示器像素单元的两个驱动电极上，使电润湿器件像素单元的非极性流体产生收缩，实现输入灰度数据输出精准目标灰度等级调制。

进一步的，所述不等增量的非线性幅度变化的电压数值由电润湿器件阈值电压到饱和电压的差值与所实现灰度等级的数量共同决定。

进一步的，所述一般线性灰度数据变换为非线性灰度调制的灰度数据变换方法包括以下步骤：步骤S1：通过实验或者已有的实验数据获得要驱动的电润湿器件相对亮度或开口率与驱动电压L-V关系曲线，同时确定所需驱动电润湿灰度显示的灰阶总数G_ALL，从所获得的L-V关系曲线中计算从阈值电压V_TH到最大相对亮度开口率对应所需的最大驱动电压V_MAX的电压差值V_D=V_MAX-V_TH，并从L-V关系曲线计算阈值电压对应的相对亮度或开口率L_MIN和最大驱动电压对应的相对亮度或开口率L_MAX的亮度或开口率差值L_D=L_MAX-L_MIN；步骤S2：采用公式ΔL=L_D/G_ALL计算实现G_ALL灰阶的相对亮度或开口率的增量ΔL，根据增量ΔL划分亮度对应的灰阶，并根据相对亮度或开口率与驱动电压关系曲线，得到划分后的灰阶所对应的驱动电压V₁~V_GALL；步骤S3：根据D/A转换器输入数据的位数B，计算出输出模拟电压量化总阶数为2^B，结合步骤S1所得到的电压差值V_D，可以计算出电润湿调制驱动电压的最小增量电压值ΔV=V_D/（2^B-1）；步骤S4：将步骤S2得到的电压V₁~V_GALL分别与ΔV相除，并取整数部分，这个数值就是每个输入原始灰阶数据经过灰度数据变换单元处理后得到的非线性电压幅度灰度调制的数据；步骤S5：以步骤S4输出的变换后的灰度数据经过D/A转换器单元和线性电压放大器单元的处理得到一般灰阶数据对应的电润湿显示器精准的目标灰阶。

进一步的，所述所依据电润湿器件相对亮度或开口率与驱动电压关系曲线为电压上升非极性流体收缩阶段或电压下降非流体扩张阶段。

一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制其装置，其包括主控制器单元、数据输入接口单元、灰度数据变换单元、列并行数据移位锁存控制器单元、D/A转换器单元、线性电压放大器单元、行扫描器单元及电源单元；所述主控制器单元用于完成实现电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制控制电路系统的编程控制；所述数据输入接口单元用于完成灰度数据输入控制；所述灰度数据变换单元用于实现原始灰度数据到目标灰度驱动电压所需D/A转换器单元输入数据的变换控制；所述列并行数据移位锁存控制器单元用于按一定时序将并行列数据移位锁存输出到相应的列上；所述D/A转换器单元用于实现二进制数字信号到对应模拟电压的转换；所述线性电压放大器单元将D/A转换器输出电压放大驱动电润湿器件所需的电压幅度值；所述行扫描器单元用于产生电润湿器件行扫描所需的电压脉冲信号；所述电源单元向其他单元模块供电。

进一步的，所述灰度数据变换单元实现灰度等级的数量为2的次方数。

进一步的，所述装置中的灰度数据变换单元由具有查找表功能的存储器件、FPGA模块或者具备运算功能的集成电路构成；所述灰度数据变换单元输入两两最相邻灰度等级的数据的差值为等间隔，经所述灰度数据变换单元变换后输出的两两最相邻灰度级的数据存在以下特点：一是不一定是等间隔；二是其值大于等于对应原输入灰度等级间隔的差值；三是所有等级间隔差值呈现非线性变化关系，并与电润湿显示器相对亮度与驱动电压的非线性关系一致。

进一步的，所述装置中的列并行数据移位锁存控制器单元由具备8位并行移位锁存器、FPGA模块或者具备相应功能的集成电路构成，用于按一定时序将并行列数据移位锁存输出到相应的列上。

进一步的，所述装置中的行扫描器单元由地址译码器和脉冲放大器电路或者由行扫描集成器件构成。

进一步的，所述电源单元由多电压输出开关电源或者线性稳压电压电路构成。

与现有技术相比，本发明加入了包含有采用将一般线性灰度数据变换为非线性灰度调制的数据的灰度数据变换单元电路系统的非线性电压幅度灰度调制系统，使得能够用一般灰度数据驱动电润湿显示器而获得精准灰度等级的电润湿显示效果，能够大大地改善电润湿器件的图像还原能力，实现更优的显示画质。

附图说明

图1是典型电润湿显示器相对亮度与驱动电压关系曲线图；

图2是本发明实施例提供的非线性电压灰度调制灰阶划分与列驱动电压关系图；

图3是本发明实施例提供的电润湿显示器非线性电压幅度灰度调制电路装置系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制方法及其装置。

该方法包括以下步骤：根据电润湿器件相对亮度（或开口率）与驱动电压关系曲线的非线性，控制产生不等增量的非线性幅度变化的电压与行扫描器输出的电压共同作用于电润湿显示器像素单元的两个驱动电极上，使电润湿器件像素单元的非极性流体产生均匀亮度（或开口率）变化的收缩，从而实现输入灰度数据输出精准目标灰度等级调制的效果。

本实施例提供一种电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制方法及其装置，原始灰阶数据变换得到的非线性电压幅度灰度调制数据包括以下步骤：

步骤S1：通过实验或者已有的实验数据获得要驱动的电润湿器件相对亮度（或开口率）与驱动电压（L-V）关系曲线，同时确定所需驱动电润湿灰度显示的灰阶总数G_ALL，从所获得的L-V关系曲线中计算从阈值电压V_TH到最大相对亮度（开口率）对应所需的最大驱动电压（饱和电压）V_MAX的电压差值V_D=V_MAX-V_TH，并从L-V关系曲线计算阈值电压对应的相对亮度（开口率）L_MIN和最大驱动电压（饱和电压）对应的相对亮度（开口率）L_MAX的亮度（或开口率）差值L_D=L_MAX-L_MIN；

步骤S2：采用公式ΔL=L_D/G_ALL计算实现G_ALL灰阶的相对亮度或开口率的增量ΔL，根据增量ΔL划分亮度对应的灰阶，并根据相对亮度或开口率与驱动电压关系曲线，得到划分后的灰阶所对应的驱动电压V₁~V_GALL；

具体实施例为：采用公式ΔL=L_D/G_ALL计算实现G_ALL灰阶的相对亮度（或开口率）的增量ΔL，通过作图等办法将L-V关系曲线从阈值电压对应的相对亮度（开口率）L_MIN到最大驱动电压（饱和电压）对应的相对亮度（开口率）L_MAX的亮度（或开口率）按ΔL增量画出G_ALL条与电压量轴平行的直线，并分别与L-V关系曲线相交，然后再从相交点作为起点画出G_ALL条与相对亮度轴平行的直线，并分别与电压轴相交；以阈值电压作为新的电压参考零点，分别依次读取与电压轴相交平行线相交点的电压值，分别记为V₁，V₂，……，V_GALL；

步骤S3：根据D/A转换器输入数据的位数B，计算出输出模拟电压量化总阶数为2^B，结合步骤S1所得到的电压差值V_D，可以计算出电润湿调制驱动电压的最小增量电压值ΔV=V_D/（2^B-1）；

步骤S4：将步骤S2得到的电压V₁~V_GALL分别与ΔV相除，并取整数部分，这个数值就是每个输入原始灰阶数据经过灰度数据变换单元处理后得到的非线性电压幅度灰度调制的数据；

步骤S5：以步骤S4输出的变换后的灰度数据经过D/A转换器单元和线性电压放大器单元的处理就可以得到一般灰阶数据对应的电润湿显示器精准的目标灰阶。

在本实施例中，我们假设所要驱动显示的电润湿显示屏为点阵矩阵单色或者彩色屏，分辨率为64列和64行，所需驱动电压极性为列正行负。同时测得该电润湿显示屏典型相对亮度与驱动电压关系曲线如图1所示，同时我们选择目前常见电子纸显示器图像灰度为16灰阶，然后我们按照原始灰阶数据变换得到的非线性电压幅度灰度调制数据的S1~S4步骤，得到非线性电压灰度调制灰阶划分与列驱动电压关系图如图2所示。

在本实施例中，确定所需驱动电润湿灰度显示的灰阶总数G_ALL=16，从所获得的L-V关系曲线中计算从阈值电压V_TH到最大相对亮度（开口率）对应所需的最大驱动电压（饱和电压）V_MAX的电压差值V_D=V_MAX-V_TH=37.50-20.35=17.15V，并从L-V关系曲线计算阈值电压对应的相对亮度（开口率）L_MIN和最大驱动电压（饱和电压）对应的相对亮度（开口率）L_MAX的亮度（或开口率）差值L_D=L_MAX-L_MIN=61.25-39.17=22.08；设定D/A转换器输入数据的位数B=8，计算出输出模拟电压量化总阶数为2^B-1=2⁸-1=255，可以计算出电润湿调制驱动电压的最小增量电压值ΔV=V_D/（2^B-1）=17.15/255=0.067254902V；以阈值电压作为新的电压参考零点，分别依次读取与电压轴相交平行线相交点的电压值，分别记为V₁，V₂，……，V_GALL，原始4bits灰阶数据与8bits非线性灰阶数据变换关系如表1所示，16个电压值如表1第三列所示的数值；将得到的电压V₁~V_GALL分别与ΔV相除，并取整数部分，16个非线性电压幅度灰度调制的数据二进制和十进制数值如表1第四列所示的数值。表1所示第一列和第四列二进制数据将作为原始灰阶数据变换得到的非线性电压幅度灰度调制数据的基本数据。

表1

在以上所述非线性电压幅度灰度调制方法的基础上，本发明所提供的是实现电路装置方案主要包括：主控制器单元、数据输入接口单元、灰度数据变换单元、列并行数据移位锁存控制器单元、D/A转换器单元、线性电压放大器单元、行扫描器单元、电源单元等，这些电路单元构成的电润湿显示器非线性电压幅度灰度调制电路装置系统框图，如图3所示。所述主控制器单元用于完成实现电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制控制电路系统的编程控制；所述数据输入接口单元用于完成灰度数据输入控制；所述灰度数据变换单元用于实现原始灰度数据到目标灰度驱动电压所需D/A转换器单元输入数据的变换控制；所述列并行数据移位锁存控制器单元用于按一定时序将并行列数据移位锁存输出到相应的列上；所述D/A转换器单元用于实现二进制数字信号到对应模拟电压的转换；所述线性电压放大器单元将D/A转换器输出电压放大驱动电润湿器件所需的电压幅度值；所述行扫描器单元用于产生电润湿器件行扫描所需的电压脉冲信号；所述电源单元向其他单元模块供电。

主控制器单元由具有编程控制功能的单片机CPU、嵌入式CPU或者计算机CPU等，我们选用STM32系列单片机，用于完成实现电润湿显示器非线性电压幅度灰度还原调制控制电路系统的编程控制，完成数据传输控制和时序控制等。数据输入接口单元由具有缓存功能或者锁存功能的数字逻辑电路构成，我们选用HC245八位数据缓冲芯片，用于完成灰度数据输入缓存控制，根据本实施例的情况，输入的灰度数据为4位，输入时序由STM32单片机完成。灰度数据变换单元由具有查找表功能的存储器件、FPGA芯片或者具备运算功能的集成电路构成，我们选用Altera FPGA MAX系列芯片EPM7032SC7，采用Verilog语言编写查找表程序，用于实现原始灰度数据到目标灰度驱动电压所需D/A转换器输入数据的变换控制，在本实施例中所构造的FPGA查找表模块满足4位二进制数据输入，根据表1第一列和第四列对应的八位二进制数据输出，比如输入4位二进制数为“0000”则输出8位二进制数为“00000000”，输入4位二进制数为“0001”则输出8位二进制数为“00100010”，输入4位二进制数为“0010”则输出8位二进制数为“00101000”等等，遍历所有的16个4位二进制输入的情况。本实施例选择目前常见电子纸显示器图像灰度为16灰阶，即输入的原始灰阶为4位二进制数，它通过HC245八位数据缓冲芯片数据输入接口单元输出作为灰度数据变换单元的数据输入，而数据变换单元输出的8位数据则作为下一电路单元D/A转换器单元的数据输入。由于本驱动电路系统列方向具有64路，因此必须设计一个列并行数据移位锁存控制器来将一行的64路列数据分别分配给各路的D/A转换器。列并行数据移位锁存控制器单元由具备8位并行移位锁存器、FPGA模块或者具备相应功能的集成电路构成，我们选用7片Altera FPGA Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8用于按一定时序将并行列数据移位锁存输出到相应的列上，采用Verilog语言编写能实现顺序8位并行数据输入，然后经过移位级联分别输出相应列的8位非线性幅度数据分别输入相应列的D/A转换器单元。D/A转换器单元由具有数模转换功能的集成电路构成，我们选用8位D/A芯片DAC0832，用于实现8位二进制数字信号到对应模拟电压的转换。线性电压放大器单元由运算放大器及外围电路或者集成电压放大器件构成，我们选用LM324预算放大器，其输出电压最大值用于将D/A转换器输出电压放大驱动电润湿器件所需的电压幅度值，加上外围电阻器构成具有电压增益的比例运算放大器，当D/A转换器输入8位最大二进制数 “11111111”时，D/A转换器输出的模拟信号通过该比例运算放大器放大输出的最大电压值设定为 “+17.15V”，并作为电润湿器件的列电极驱动电压。以上所述的一个D/A转换器和一个线性电压放大器构成1路的列电压处理电路，电润湿显示屏共有64路列驱动电极，因此需要64套这样的列电压处理电路。行扫描器单元由地址译码器和脉冲放大器电路或者由行扫描集成器件构成，用于产生电润湿器件行扫描所需的电压脉冲信号，我们选用Altera FPGA MAX系列芯片EPM7128SC7和具有负电压放大功能的脉冲集成放大器ULN2803芯片构成，该工作芯片的工作电压选定为电润湿器件的阈值电压设定为-23.35V，根据电润湿显示屏共有64行的行驱动电极，因此需要采用Verilog语言编写6-64译码器模块即6位地址信号输入，该6位地址信号由STM32单片机根据图像数据扫描时序产生并输入到EPM7128SC7芯片的地址信号输入端，产生的64路一行周期有效脉冲扫描脉冲输出，并分别输入到8片ULN2803集成放大器芯片中进行电压放大，最后将放大后的负电压有效的扫描脉冲与64路电润湿显示屏行电极连接。电源单元由多电压输出开关电源或者线性稳压电压电路构成，用于为电路装置的各个模块提供所需的工作电压，主要包括数字逻辑电路电压、线性电压放大器单元所需的电压、行扫描器单元所需的电压等。

需要说明的是，本发明实施例中假定的电润湿显示屏为单色显示器，如果所要驱动的电润湿显示器为彩色显示屏时，以上所述的电路实施过程依然可以采用，只不过对于彩色电路来说，还需要再制作另外两套相同的列电极驱动电路，其核心内容与我们上面所述的单色驱动电路系统完全一致，只是此时有3路彩色的二进制灰度数据分别作为3路基色列数据的输入，每个基色的64路列驱动脉冲输出分别接入对应颜色的电润湿显示屏，这样就可以实现彩色精准非线性电压幅度图像的显示。

需要说明的是，本发明实施例所假定的电润湿显示屏的分辨率为64×64点阵，本发明方法其实也完全适用于比它低或者比它高的各种分辨率显示屏，此时所需的行列驱动路数做相应的增减即可。当然如果达到一定分辨率后，所需要的主控器CPU就需要选择更高性能的处理器，才能顺利的处理和控制本电路系统，但是不管采用何种芯片，本发明的核心想法不会改变。

需要说明的是，本发明实施例所假定的电润湿显示屏为无源驱动显示屏，其实本发明的方法和电路装置也适用于有源驱动的电润湿显示屏，本发明的方法和电路装置完全可以直接运用于单色和彩色有源电润湿显示屏，将获得同样的预期效果。

以上所述各部分电路模块在单片芯片的统一协调控制下，产生实现一幅幅电润湿显示器还原图像显示所需的行列电极驱动电压信号，最后就可以在电润湿显示屏上实现16灰阶图像的显示，并且达到精准图像灰度的再现，大大提高图像的显示效果。

需要说明的是，电润湿又名电湿润，本发明中电润湿显示器灰度显示调制方法同样也适用于电湿润显示器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。