OLED扫描驱动与灰度控制优化方法的研究与实现.docx
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OLED扫描驱动与灰度控制优化方法的研究与实现
OLED扫描驱动与灰度控制优化方法的研究与实现
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一、选题意义
当前盛行的显示技术包括OLED(OrganicLightEmittingDiode,有机电致发光显示器件)、PDP(PlasmaDisplayPanel,等离子体放电显示板)、FED(FieldEmissionDisplay,场发射显示)等,它们各有所长,追求的目标是体质轻、薄、高亮度、快速响应、高清晰度、低电压、高效率、长寿命、低成本等特点。
在目前的FPD技术中,液晶显示占有主要市场份额。
液晶显示由于其轻薄短小、低功耗、无辐射、平面直角显示以及影像稳定等优点,应用非常广泛。
然而它视角小、响应速度慢、温度特性差,显示依赖于背光源或环境光,其垄断地位正面临严峻的挑战。
[42]
OLED显示器以其结构简单、超薄、自发光高亮度、响应时间快、大视角、低工作电压、高效率、低成本等优点,在短短几年内即引起全球超过100家大企业及策略联盟新公司的投入,成为平板显示技术中的一颗新星。
作为新一代显示器件,OLED在手机、个人电子助理、数码相机、车载显示、笔记本电脑、壁挂电视以及军事领域都具有广阔的应用前景。
正因为如此,OLED是近几年来新材料及显示技术领域研究开发的一大热点。
高清晰度大屏幕平板显示产品是我国科学研究的优先主题和国民经济发展的重点领域,灰度是平板显示器显示效果的重要评定参数,而目前平板显示器图像的灰度控制多采用脉宽调制的方法,脉宽调制法也是PFD中常用的灰度实现方案,尤其对电流型器件,如OLED、FED、LED的驱动电路中均有采用。
其实现原理是通过与计数器数值的比较得到变化的脉宽信号[1]。
而脉宽调制法顺序地扫描显示像素的点、行和帧,在写入显示像素点的重复次数中获得灰度调制,存在较多时间资源的浪费,使存贮空间到显示平面的传递速度成为多媒体数字存贮型平板显示器在高清晰度发展方向上的瓶颈问题。
本课题针对现有平板显示器灰度扫描存在的问题提出灰度级冗余概念,并给出一种优化灰度扫描算法;除此之外,针对现有灰度扫描方法中的时间冗余问题,根据子空间按位扫描方法消除时间冗余的思想构造高扫描效率的优化扫描结构来提高灰度扫描效率。
人们对OLED器件结构和发光特性的研究已有十余年,但是OLED驱动芯片,特别是带有灰度处理功能的OLED驱动芯片开发力度仍不足,虽然日韩等少数几个国家在此方面有样片出现,但离真正量产还有一定距离。
而OLED市场规模与日俱增,目前较为成熟的OLED驱动在小尺寸屏幕如数码电子产品终端的市场巨大,3G时代的到来更使手持移动终端设备成为客户越来越不可缺少的产品,OLED驱动无疑是这场小屏幕FPD终端市场角逐中最显眼的角色之一。
针对这一现状,作者对OLED驱动芯片及灰度扫描进行了较为深入的研究。
二、研究现状
OLED技术的研究始于上世纪60年代,但是直到1987年柯达公司首次申请了小分子OLED器件双层结构的专利后,OLED技术的前景才一下子明朗起来。
l997年Pioneer公司率先推出256×64像素的单色OLED汽车无线电显示器,OLED发展开始受到重视。
2000年以来,全球掀起了OLED研究和开发热潮,原型样品及产品不断推出。
根据新材料在线(真望资讯)资料表明,目前全球有超过140多家企业涉足OLED研发,并且囊括了几乎所有电子和显示产业巨头。
尽管处于产业初期,但是OLED产业成长速度惊人,OLED被认为是LCD最强有力的竞争者,2001年至2010年是该技术最重要、最快速的发展时期。
目前LCD市场份额达300多亿美元,而OLED的产业化还处于起步阶段,投资规模仅为TFT-LCD生产线的10%左右。
但是作为LCD的竞争者和可能的替代者,OLED的出现和发展为我国发展面向移动通信产品、车载产品、计算机和电视机的平板显示器提供了新的机遇。
国内OLED发展受到了政府和相关企业的重视,相关产业化工作已经迅速展开。
我国的OLED技术与世界处于同一起跑线,在发光有机材料的合成方面具有一定的优势,产业化基础良好,因此很有必要抓住这一难得的机遇。
平板显示器灰度控制专用芯片的产品类型主要表现以下几个方面:
以日本TOSHIBA、EPSON和韩国三星公司为代表的灰度控制芯片的主流特征以SPC8030F0A电路芯片为代表,具有16/64/128级灰度,控制面在320200~640400显示点,配合LCD专用显示驱动芯片完成系统成像;美国TI公司的TLC5902、TLC5903等,控制灰度等级为256级,控制面为8×16显示点,采用组合芯片和单片微机及DSP通用设计,对FPD屏体分块以完成灰度扫描;HV632PG芯片是美国Supertex公司研制开发的FPD图像数据驱动芯片,适用于高速数据率的显示应用,图像灰度调制采用PWM技术实现256级灰度的分辨率,内含全集成低压CMOS逻辑,支持较高显示分辨率的脉宽调制灰度转换。
STV7610是ST公司生产的PDP(等离子显示屏)专用驱动芯片,可以驱动96列PDP数据输出,其输出电压高达100V,采用子场技术实现256级灰度显示。
STV7697B是ST公司生产的扫描驱动芯片,在工艺上使用了高压BCD结构,该芯片包括一个64位的级联移位寄存器,可以实现64路高电压、大电流驱动输出。
BHL2000由北方华虹微系统有限公司生产,采用PWM灰度调制方式和双端口SRAM技术,解决了其它芯片数据传输会占用可贵的显示时间的突出问题,保证了图像亮度和灰度,被广泛应用在LED大屏幕和其它类显示屏系统上。
学术界已经提出了一些克服灰度显示非线性的方法。
美国的JohannesG.R.VM和KnoxvilleT.N于1998年提出了将8bit灰度显示数据转换成10bit数据的方法,并与2001年申请了美国国家专利(专利号US6,215,648B1)[19]。
上述研究已经认识到人眼视觉成像和显示器灰度等级方面之间的联系,并提出了一定的改进方法,但并未找出二者精确的量之间的联系和解决方法;另外,上述的灰度扫描方法会产生比较多的时间资源的浪费,导致扫描效率优化度不高,驱动电路与现有视频系统兼容性不够理想。
三、研究内容
1、分析有机电致发光器件的基本结构,发光的基本原理,电流密度与OLED电流之间的关系以及OLED的电压-电流特性。
对讲述采用有源矩阵驱动的方法,消除了无源矩阵方法产生的交叉效应问题。
这种方法不受扫描电极数的限制,可以对每个像素电度进行高速驱动;对于高分辨率的微型显示矩阵,避免了驱动电流密度过大的问题。
并对AM-OLED像素驱动电路进行了深入的研究。
对典型的两管电压信号像素驱动电路与四管电流信号像素驱动电路进行系统分析,根据显示要求精确选择电路参数,并给合等效的OLED模型进行了仿真验证。
对交流驱动方式像素驱动电路进行了研究与探讨。
在电压信号驱动像素电路上提出了交流驱动的实现方法,改进四管电流驱动像素驱动电路结构实现了交流驱动,最后进行了仿真验证。
这对于合理设计像素驱动电路、延长OLED器件使用寿命具有重要意义。
这篇文章涉及到了一些OLED的模型。
这些模型应能不仅考虑到单向显示的特性,并且能考虑到容性负载和通过有机半导体期间的电流大小。
OLED的驱动就电压极性而言,可分为直流驱动和交流驱动。
Ø直流驱动:
在正向直流驱动即ITO接正、背电极接负时,空穴和电子的传输方向是固定不变的,它们分别从正负极注入到发光层,在发光层中形成激子,辐射发光。
其中未参与复合的多余空穴(或电子),或者积累在空穴传输层/发光层(或发光层/电子传输层)界面,或者越过势垒流入电极。
直流反向偏置驱动时,其势垒高度太大,电子和空穴运动到EML复合发光的几率十分微小,因此直流反向偏置的驱动一般不变化或十分微弱。
目前大多采用的是直流驱动的方式,但一些研究表明,交流驱动方式较直流驱动方式有着许多无可比拟的优势。
Ø
交流驱动:
正半周的发光机制与正向直流驱动时完全一样,但交流驱动的负半周却起着十分重要的作用。
即在正半周电压过后,空穴传输层/发光层(或发光层/电子传输层)界面处积累了未复合的多余空穴(或电子),当负半周电压来到时,这些多余空穴和电子则改变运动方向,朝着相反的方向运动,相对地消耗了这些多余的电子和空穴,从而削弱了由正半周的多余载流子在OLED内部形成的内建电场,进一步增强了下一个正半周的载流子注入及复合,最终有利提高复合效率。
从文献和有关报道也证实,交流驱动比直流驱动在发光强度和发光效率上均有所提高。
另外,负半周的反向偏压处理可以“烧断(Burnout)”某些局部导通的微观小通道“细丝(Filaments)”,这种细丝实际上是由某种“针孔”引起的,针孔的消除对于延长器件的使用寿命是相当重要的。
因此,交流驱动更适合于OLED的发光机制。
OLED的驱动就寻址方式而言,可分为静态驱动和动态驱动。
显示像素有段形和点阵形两大类,它们的电极连接排布方式是不同的,因此驱动的方式也完全不同。
在应用中具体采用哪种驱动方式,一般取决于该器件显示像素电极的连接方式。
Ø静态驱动方法:
是指在像元前后电极上施加电流信号时呈显示状态,不施加电流信号时呈非显示状态。
它要求每个显示像元都通过单独的电极引出,适合于笔段式的OLED显示器件驱动。
每个显示段都通过单独电极引出,所有各位显示段共用一个背电极,这与LED显示器的共阴或共阳结构相似。
在多位数字组合显示时,各位的背电极BP是连接在一起的。
接通背电极和某段电极,则该段被选择显示。
该方式对于矩阵式像元显然是不合适的。
Ø动态驱动方法:
即时间分割驱动法,也叫矩阵寻址法,或扫描驱动法。
由于OLED显示器件属于平板器件,当其显示像素很多时,如果采用静态驱动方式,则需要的电极数量就很多。
这样整个器件的体积就很庞大,费用很高,而且实现起来也很困难,因此需要采用矩阵扫描驱动电路。
因为矩阵扫描驱动电路可以减少驱动电路的数量。
动态驱动中,OLED的驱动方式就驱动电流是否直接施加于像元电极而言,又可分为无源驱动和有源驱动。
Ø被动矩阵OLED驱动时的等效电路结构如图所示,每一个OLED发光器件都可以等效为一个发光二极管和一个电容并联的结构,整个OLED面板可以等效为各个点为发光二极管和电容并联得到的矩阵。
等效意味着两者的电学特性一致,但是OLED器件内部并没有真正的电容。
在无源被动矩阵方式中,每一行或者每一列的像素共用这一行或这一列的电极,行像素或列像素是连在一起的。
图1被动矩阵OLED驱动等效电路
Ø主动矩阵OLED为有源驱动方式,目前使用的有a-Si-TFT(非晶硅薄膜晶体管)、LTPS-TFT(低温多晶硅薄膜晶体管)、OTFT(有机薄膜晶体管)等驱动方案。
常见的OLED主动矩阵为二管驱动结构,其原理如图2所示。
两个TFT均为p沟器件。
写数据时扫描线置负电平以打开寻址TFT,数据信号储存到电容C上;显示时扫描线置零关闭寻址TFT,驱动TFT将受存储电容C上的电平影响将数据输出至OLED使之发光。
还有四管等其他方式。
图2主动矩阵二管驱动OLED
2、显示灰度也可认为是亮度,在平板显示中,特指每种基色的发光亮度。
将基色的发光亮度按强度大小划分,就是灰度级。
显示屏能产生的灰度级越高,显示的颜色和图像层次就越多。
在高清晰度的大屏幕平板显示技术中,屏幕的像素数与帧、行刷新频率密切相关,一般情况下,刷新频率随像素数增大而提高,而刷新频率的提高将对系统的器件与材料提出更高的要求。
人眼作为各种形式光信号系统的接收终端,其视觉特性直接决定着对光信号显示系统的特性要求。
目前平板显示器常用的灰度显示方案有如下几种:
幅值法、电压组合法、空间法、时分法、帧灰度法、子场灰度显示方案和PWM灰度显示方法[2]。
而应用最多的差不多是脉宽调制的方法,原理如下:
每一列根据灰度值扫描其相应时间,通过脉宽调制控制灰度,灰度等级数与扫描次数成正比,灰度等级数每提高一倍,扫描次数也提高一倍,扫描时钟也必须快一倍,当灰度等级很高时,不能扫描出完整画面或者使扫描频率降低。
通常帧频F越大,灰度级别越高,显示效果越好,但要求的数据传送工作频率将呈现指数级增长,使一般电路无法达到这种响应速度。
由此可见,传统扫描方法不适合于高分辨率、高清晰度的FPD产品。
顺序地扫描显示像素的点、行和帧,在写入显示像素点的重复次数中获得灰度调制,存在较多时间资源的浪费,导致扫描效率不高。
可归纳如表1所示:
方法
原理
特点
适用范围
幅值法
器件发光强度与驱动电流或电压幅值成线性关系
容易实现,精度低
LED,OLED
电压组合法
驱动电压幅值按一定步长划分成多个子电压来组合灰度
精度低
LED,OLED
空间法
每一定数目的点作为一个单元,控制各单元处于点亮状态的点数
电路简单,驱动及控制电路增加,分辨率低
LED,OLED,LCD
时分法
在每个显示周期内按灰度级等分出小的时间间隔脉冲
难实现高灰度级
LED
帧灰度法
一定数量的帧为一个时间单元,控制该单元内处于点亮状态的帧数
扫描频率不能过高,难实现高灰度级
LED
子场法
一场数据分成几个部分,每个部分的点亮时间对应不同权值,
要求高频驱动频率,实现难度大
PDP,LED,
OLED
脉宽调制法
输出驱动脉冲的占空比与数据大小成正比
时序复杂,要求显示屏有较高响应速度
FED,OLED,LED
表1常用灰度控制方法归纳
FPD灰度图像扫描的关键在于将图像的灰度存贮矩阵转换成像素相应的点亮时间,因而我们先构建一个FPD灰度扫描的时空映射拓扑架构,将空间的灰度存贮矩阵平面映射到灰度扫描时空平面,在此架构上研究灰度成像扫描方法的优化问题。
FPD灰度成像扫描过程可以用如图3所示的空间立体图表示,图中xy平面构成了FPD像素显示矩阵,其中x轴表示像素显示矩阵的列数,y轴表示像素显示矩阵的行数;图中xz平面构成了控制每一行FPD像素亮度的灰度矩阵,z轴表示灰度的级数,灰度矩阵个数等于FPD像素矩阵的行数。
FPD像素显示矩阵中每一点像素的亮度由灰度矩阵中的数值所决定。
图3FPD像素的灰度显示矩阵图
鉴于以上所述,本文针对现有的灰度控制方法中普遍存在的时间冗余问题,根据已有的子场控制方法,提出了一种子空间按位扫描方法。
在将数据传送到显示子系统的过程中,无论是按从最低位到最高位的顺序,还是按从最高位到最低位,只要将各个数据位都传送到显示子系统上,并且每个数据位的保持时间与权值相对应,那么从视觉角度所看到的效果都是一样的。
这种无关性还表现在同一个显示平面的各个点之间,比如,有些点按某种权值顺序传送,而另一些点使用另一种顺序,还可以有些点使用第三种顺序。
顺序本身并不影响图像效果。
显然灰度时分的按位扫描法的扫描效率远远高于直接灰度扫描法,但是就显示平面上的一个局部区域来说,按位扫描时传送数据所需的时间远小于灰度生成所需的时间,以平板显示器的一个单色像素形成16级灰度的扫描过程进行分析,权值均为2的n次幂(n
0),以1、2、4、8形式按位填充,其表现灰度的占空比要求没有任何变化,但有效扫描次数降为4次,再加一次消隐过程,扫描利用率为5/16=31%,产生11次时间冗余量可加以利用。
在这个时间冗余里,控制器可以对其它区域进行传送以生成该区域的灰度,如果两者的时间冗余位置正好相互交错,那就是对时间冗余的利用,这种利用可以提高扫描的效率,在安排合理的情况下,可以有更多的区域相互交错,甚至可以充满全部冗余时间,这就是子空间按位扫描方法。
将整个显示平面称为一个空间,将具有相同权值顺序的显示区域合并在一起称为一个子空间,扫描时在子空间内部可以遵循“逐行逐列”的顺序,而在子空间之间则可以是跳跃式的,传统扫描方法只有一个空间,而实际上扫描效率是与子空间数成正比的。
先在灰度扫描时空平面上进行子空间划分,图像存贮矩阵数据代表的灰度值以字节位数所决定,其每一位的权值分别为1、2、4、8、16、...,或者是某种非线性权值序列,并以串行位移的方式填写Mn个子空间所包含的列像素点,然后对每个子空间交错进行按位扫描方法。
例如以十六级灰度、二个子空间划分(Mn=2)来说明。
为易于硬件实现,扫描时间从0开始,子空间0对应从第0到第15扫描时间时采用的是“8、1、2、4”按位扫描方法,子空间1对应从第1到16扫描时间时采用的是“1、2、8、4”按位扫描方法。
扫描并非是“逐点”进行的,即各子空间之间并不是依次扫描,可能是跳跃性的,但子空间内部仍可以是连续的。
子空间0与子空间1都能在17次总扫描中产生16级灰度等级,对扫描控制器来说,在第0、8、9、11、15这5次时间中对子空间0进行扫描,而在第1、2、4、12、16这5次时间中对子空间1进行扫描,由于扫描控制器在一个时间内只能对一个子空间进行扫描,所以10次的有效扫描不能重叠,实际上是利用了两个子空间的时间冗余,使扫描利用率=10/17=59%,与按位扫描方法相比提高了将近一倍。
由上可知,采用子空间按位扫描方法,子空间分割数越多,扫描效率就越高,上述两个子空间分割下扫描产生的时间冗余可在第三个子空间、第四、...个子空间中加以利用。
并将要在子空间按位扫描方法的基础上,确定一种最佳的空间分割方案,并从理论上推导并证明FPD灰度显示的最优扫描结构和具有通用性的理论模型,以获得有规律的扫描方式和最大的扫描利用率。
3、本文研究的是以最大限度利用时间冗余,获得最高的扫描效率为目标,导出并论证FPD扫描成像时空映射架构中的一种优化扫描结构及其数学表达。
FPD灰度显示的优化扫描结构,根据子空间按位扫描方法消除时间冗余的思想构造并论证了可获得平板显示器高扫描效率的优化扫描结构;根据灰度扫描时空拓扑结构的特征和优化扫描结构的自相似迭代过程,创立扫描的数学模型。
该理论模型及相应的维数控制策略是解决存贮空间到显示平面的传递速度瓶颈问题的关键所在,对平板显示器实现灰度成像的高压缩比(高速扫描)、实现最高扫描效率具有指导性意义。
对于b个bit灰度的图像显示,灰度级数为2b,按照线性或非线性按位扫描方法,在屏幕上每一个像素点处都要扫描b次,并且这b次扫描的时间间隔分别至少为
(最后一个间隔1是现周期b个点中的最后一个点与下一个周期b个点中的第一个点的间隔)。
我们的目的是在空间(屏幕)中每一个点处相邻两次扫描等待期间,对其它空间点进行扫描。
为了充分利用每次间隔,我们要将空间分成Mn=
个部分,即
个子空间。
用横坐标表示时间,纵坐标表示空间分割。
在每一个分割空间中有b个扫描点,所以
个分割总共就要有
个扫描点,这些扫描点必须要在不同的时刻打上,并且任何时刻也不能不打点(即任何时刻必须扫描一个点,也只能扫描一个点),于是扫描的时间深度为
。
我们构造优化扫描结构。
从灰度为1个比特的扫描结构开始,显然
是1个bit时的优化扫描结构,为简便起见,我们将M2表示成矩阵的形式。
把深色的部分用1表示,而浅色白色的部分用0表示。
用相同的方法可以推出余下的矩阵式子。
M2
[1]
M3
[2]
为
阶矩阵,若以相邻两次扫描间隔作为矩阵元素,则
可以表示为下式。
M4
[3]
图4最优扫描结构构造示意图
从以上各图中可以观察到各个矩阵之间是存在着规律的,
图5M3的分隔图
可以将上面M3做如此的划分,表示成相应的矩阵形式如
[4]
其中矩阵In是n维的单位矩阵。
同样的也可以做这样的代换
图6M4的分隔图
[5]
由此,可以推导出下式:
,其中N≥2,M1=[1][6]
[7]
[8]
显然很容易看出W是每个子空间的扫描总时间,而S是为相邻两个扫描点的时间间隔(即权值)。
如此重复迭代,即可构造出通常比特数灰度的最优扫描结构MN。
显然
是1个bit时的最优扫描结构,由公式6将得到通常bit数的最优扫描结构,图4直观地显示了所叙述的构造过程。
从图4可以看到公式6所示的优化扫描结构的构造过程实际上是一个自相似的迭代过程。
扫描性能的分析与比较表明与传统扫描方法比较,随着灰度级数的提高,分形扫描方法可显著地提高扫描效率。
4、系统的实现
我们可以使用比较器和计数器等硬件来实现灰度级的控制。
这里我们的目标是在12896点阵的矩阵屏上实现十六级灰度的图像显示,继而在这块OLED矩阵屏上实现计算机控制下的视频显示。
显然,要实现OLED视频影像系统的显示,除了要解决OLED显示屏动态扫描等技术问题,首先要解决的问题是如何能从摄像机、录像机和电视信号中获得数字化的数据信息。
由于视频影像模拟系统至少以每秒50帧的速度连续播放才能使人眼不感觉到闪烁。
图7系统图
四、实验条件设备
软件:
QuartusII7.1,spectre,virtuso,DC等
硬件:
FPGA开发板altera20K200EFC484,显示屏,PC
软件部分主要用于verilog代码的综合实现,和后期版图的制作。
而硬件部分用于整个系统的验证和实现。
五、设计难点
在设计过程中,有可能会遇到很多困难需要一一解决:
1、由于课题比较新,对灰度级校正方面国内研究的比较少,因此可以参考的文献尤其对扫描方式的实现和架构的搭建等相关资料很少。
虽然国内对OLED的驱动研究已较为深入,但是OLED驱动芯片,特别是带有灰度处理功能的OLED驱动芯片开发力度仍不足。
所以许多东西还需要靠自己摸索。
2、根据子空间按位扫描方法消除时间冗余的思想构造高扫描效率的优化扫描结构;建立扫描核心模块架构;研究每个扫描时间对应的子空间码和位码序列的生成及逻辑实现。
各个模块需要编写相应代码并能IP核实现。
3、最后需要搭建整个系统,进行验证该方案的可行性,在各个模块间的衔接和时序控制上需要高度的匹配。
六、预期成果
1、在相关领域的核心期刊上发表1-2篇论文,争取被三大检索收录,目前已于2007年6月在HDP07国际会议上发表1篇(ResearchonthemodelsofOLED-On-Siliconpixelcircuits)。
2、根据子空间按位扫描方法消除时间冗余的思想构造灰度显示优化扫描结构,完成优化的灰度级算法的代码编写和功能仿真。
3、将代码硬件逻辑实现,并且搭建系统进行验证,相关电路模块完成版图设计。
七、进度安排
2007.8-2007.12课题调研,了解人眼视觉成像和显示器灰度等级方面之间的联系以及灰度扫描中时间冗余问题
2008.1-2008.3构造灰度显示优化扫描结构和OLED显示屏驱动的研究
2008.4-2008.6核心模块架构代码编写,相关电路的仿真
2008.6-2008.10硬件逻辑实现与优化并搭建系统验证平台
2008.10-2008.12撰写毕业论文
2009.1-准备答辩
八、参考文献
【1】廖志君,郭太.平板显示器件的多种灰度显示方案,龙岩学院学报,Vol.23,No.3,2005,35-37.
【2】付新虎,郑喜凤,丁铁夫.在FPGA下实现灵活的OLED灰度控制[J],液晶与显示,21(3),2006,6.
【3】V.P.Felix,R.Narasimman,andR.C.Agarwal.PerceptuallyOptimumGray-ScaleTransformationofMultibinTimeHistoryData[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,VOL.22,NO.1,January1997.
【4】山隹.平板显示器技术的发展趋势.世界电子元器件,2002.9,3
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- OLED 扫描 驱动 灰度 控制 优化 方法 研究 实现