單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1 引言
　　硅上液晶顯示(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)技術(shù)是CMOS半導(dǎo)體集成電路和液晶顯示相結(jié)合的技術(shù)。LCoS技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)可以利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和成熟的LCD工藝線；

(2)物理尺寸可以做的非常小；

(3)即使像素尺寸非常小，仍可以得到非常高的開(kāi)口率。

　　由于其技術(shù)和制造優(yōu)勢(shì)，LCoS技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。由于其尺寸小、功耗低、分辨率高，可以用作移動(dòng)通訊等設(shè)備的顯示屏，如頭盔顯示。目前彩色LCoS顯示系統(tǒng)主要分為單片和三片式系統(tǒng)2種，單片式系統(tǒng)對(duì)于三片式系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小，成本低，易于實(shí)現(xiàn)小型化；三片式需要像素校準(zhǔn)，而單片式則不需要。本文主要討論單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 顯示原理

　　三片式彩色LCoS顯示系統(tǒng)利用空間混色實(shí)現(xiàn)彩色顯示，而單片式彩色LCoS系統(tǒng)只用1片LCoS芯片，分時(shí)掃描紅、綠、藍(lán)3個(gè)子場(chǎng)的圖像，并且在每個(gè)子場(chǎng)結(jié)束的時(shí)，分別將對(duì)應(yīng)顏色的背光燈打開(kāi)，利用人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)彩色顯示。當(dāng)子場(chǎng)的頻率越高，圖像的閃爍程度就越低。

3 系統(tǒng)總體概述

　　單片彩色LCoS整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

　　在整個(gè)系統(tǒng)的最前端是1塊以AD9887A為主芯片的圖像源板，該板負(fù)責(zé)對(duì)DVI信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼后的信號(hào)交由后面的FPGA板進(jìn)行處理；FPGA板除了對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重組外，還需要產(chǎn)生LCoS驅(qū)動(dòng)板和LCoS芯片所需的時(shí)序，F(xiàn)PGA芯片使用Altera的EP1C6，另外板上還有2組6片SRAM作為圖像數(shù)據(jù)的緩存；LCoS驅(qū)動(dòng)板的任務(wù)是進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)LCoS芯片模塊進(jìn)行顯示，該驅(qū)動(dòng)板包括D／A芯片AD8381和LCoS芯片的電源模塊；LCoS芯片模塊則包括LCoS顯示芯片、LED背光模塊以及光學(xué)組件。

4 主要芯片介紹

　　主控板的核心器件FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，該器件包括5 980個(gè)LE，80 kb的內(nèi)部SRAM，2個(gè)內(nèi)部PLL，最大可支持185個(gè)用戶(hù)I／O管腳。經(jīng)過(guò)評(píng)估，其豐富的資源可以很好地完成LCoS的主控單元的所有功能，包括：接收前級(jí)轉(zhuǎn)換好的視頻數(shù)據(jù)，處理后保存到一組RAM中，同時(shí)從另一組RAM中讀出處理好的數(shù)據(jù)送至D／A，并控制D／A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生LCoS的上屏?xí)r序和LED光照系統(tǒng)的控制時(shí)序。

　　板載SRAM采用ISSI公司的IS61LV10248，用作圖像數(shù)據(jù)的緩存，單片容量為1 M×8 b字節(jié)。本系統(tǒng)共使用6片這樣的SRAM。分為2組，每組3片，進(jìn)行乒乓操作。每組SRAM地址線共享，數(shù)據(jù)線位寬擴(kuò)展為24 b。

　　本系統(tǒng)D／A轉(zhuǎn)換采用Analog Device公司的AD8381。該芯片支持高達(dá)100 MHz的10 b數(shù)字輸入，6路9～18 V電壓的模擬輸出。其典型時(shí)序如圖2所示。圖2中DB(0：9)是輸入的數(shù)字信號(hào)；CLK是采樣時(shí)鐘；STSQ表示新的一組數(shù)字信號(hào)的開(kāi)始；XFR表示開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換，其下降沿有效。本系統(tǒng)采用的LCoS芯片為8路模擬輸入，因此這里采用2片AD8381，每1片用到其中的4路。

　　根據(jù)圖2中的時(shí)序，并考慮到實(shí)際情況，具體應(yīng)用如下：每個(gè)周期同時(shí)向兩個(gè)AD8381的數(shù)據(jù)口發(fā)送一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，4個(gè)周期后進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，由STSQ和XFR這兩個(gè)控制信號(hào)控制，這樣同時(shí)得到8個(gè)像素的像素值，而不需要如圖2那樣發(fā)送6個(gè)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。輸出的模擬電壓值在下一個(gè)鎖存信號(hào)的下降沿完成轉(zhuǎn)換。STSQ和XFR這2個(gè)管腳由同一個(gè)FPGA管腳驅(qū)動(dòng)即可。在其他管腳中，E／O信號(hào)和R／L信號(hào)分別用于選擇時(shí)鐘信號(hào)是上升沿有效還是下降沿有效和像素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送順序，這里設(shè)計(jì)成外部跳線。另一個(gè)控制信號(hào)INV用來(lái)確定圖像數(shù)據(jù)電壓是正信號(hào)還是負(fù)信號(hào)的，由于液晶的特性，在每幀開(kāi)始時(shí)將其取反。而AD8381的參考電壓VMID和屏的參考電壓VCOM連接在一起，在INV的配合下，實(shí)現(xiàn)對(duì)屏的交流驅(qū)動(dòng)。

5 FPGA程序設(shè)計(jì)

5.1 模塊劃分

　　整個(gè)FPGA程序的模塊框圖如圖3所示。主要包括：D／Ata Capture模塊，負(fù)責(zé)將輸入的數(shù)據(jù)按一定的格式順序存放到SRAM中；Switch模塊，負(fù)責(zé)控制RAM的切換；D／AtaOutput模塊，負(fù)責(zé)從SRAM中讀取數(shù)據(jù)按照一定的格式發(fā)送出去；Output timing Generator模塊，負(fù)責(zé)生成輸出的控制時(shí)序，并且控制D／Ata Output模塊的輸出和Switch模塊的切換，而該模塊的工作是受到D／Ata Cap-ture模塊控制的。

5.2 存儲(chǔ)安排

　　為了獲得較大的數(shù)據(jù)位寬，并且考慮到FPGA管腳數(shù)量，用于緩存圖像的SRAM選用的是3片1 M×8 b容量的，作位擴(kuò)展，這樣可以存放下完整的1幀數(shù)據(jù)。具體說(shuō)就是每個(gè)地址存儲(chǔ)的大小是3個(gè)字節(jié)，可以用來(lái)存放3個(gè)像素的數(shù)據(jù)(同種顏色)。地址0x0放置3個(gè)像素的紅，而地址0x1存放3個(gè)像素綠，地址0x2存放3個(gè)像素藍(lán)，而這3個(gè)地址的3個(gè)像素在屏幕上是第一行的第1，2，3個(gè)像素，接下來(lái)地址0x3又存放了3個(gè)紅色像素，如此循環(huán)，直到地址0xBFFFF存放最后3個(gè)像素的藍(lán)色數(shù)據(jù)。如圖4所示。

5.3 算法流程

(1)D／Ata Capture模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存算法

　　D／AtaCapture模塊負(fù)責(zé)將輸入的數(shù)據(jù)按一定的格式順序存放到SRAM中。每個(gè)時(shí)鐘從AD9887A板過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是24位的RGB數(shù)據(jù)，8位紅，8位綠，8位藍(lán)，而實(shí)際輸出的時(shí)候是按照1幀紅1幀綠1幀藍(lán)的順序輸出的。因此如果能將讀入的24位RGB數(shù)據(jù)按照一定的格式存放，就可以方便的讀取數(shù)據(jù)，格式如圖5所示。

　　具體的轉(zhuǎn)換是通過(guò)一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中有6個(gè)24 b的寄存器r1～r6用來(lái)緩沖6個(gè)像素的RGB值。用6個(gè)狀態(tài)完成類(lèi)似矩陣轉(zhuǎn)換的任務(wù)，每個(gè)狀態(tài)會(huì)輸出1個(gè)24 b的轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，并生成地址，即每個(gè)狀態(tài)都會(huì)將1個(gè)24 b的數(shù)據(jù)存入到SRAM中，而這24 b就是3個(gè)像素的同一種顏色的值。

(2)D／Ata Output模塊數(shù)據(jù)輸出算法

　　D／Ata Output模塊是數(shù)據(jù)輸出模塊。每個(gè)時(shí)鐘周期從SRAM中讀取到的是3個(gè)像素的數(shù)據(jù)，而每個(gè)時(shí)鐘發(fā)送到每個(gè)AD8381的是一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，因此是不同步的，需要使用雙時(shí)鐘FIFO作流量控制才能使數(shù)據(jù)正確傳輸，具體的讀取操作：如圖5所示。像素0～3放入FIFO1，像素4～7放入FIFO2，這樣依次下去，每個(gè)FIFO放人4個(gè)像素。每個(gè)時(shí)鐘放2個(gè)像素。該處理任務(wù)由Convert Log-ic子模塊完成。還要注意的是由于每種顏色的數(shù)據(jù)不是連續(xù)存放的，因此下一個(gè)地址的值是加3而不是加1。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在子場(chǎng)場(chǎng)頻比較低的時(shí)候，單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的閃爍程度會(huì)比較高。由于條件所限，研究中選用的LCoS芯片所支持的最高場(chǎng)頻為120 Hz，該芯片是為三片式LCoS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此用在單片彩色系統(tǒng)中具有一定的局限性。實(shí)驗(yàn)中FPGA程序可以實(shí)現(xiàn)90 Hz，120 Hz和180 Hz三種子場(chǎng)頻率。在相同的背光源條件下，90 Hz場(chǎng)頻時(shí)的色彩相對(duì)于其他兩種要好些；180 Hz時(shí)系統(tǒng)也完全能夠正常運(yùn)作，只是色彩稍差，這與LCoS芯片本身有關(guān)，不過(guò)其閃爍程度已經(jīng)可以忽略；120 Hz子場(chǎng)時(shí)的閃爍還是比較明顯的，色彩和90 Hz子場(chǎng)時(shí)基本差不多。

　　因此，要實(shí)現(xiàn)單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的無(wú)閃爍，必須使用較高的子場(chǎng)頻(不低于180 Hz)，有關(guān)資料顯示，目前已經(jīng)出現(xiàn)了為單片彩色LCoS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LCoS芯片，其支持的場(chǎng)頻可達(dá)360 Hz，如果選用這樣的芯片，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍顯示。

　　就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)獲得了不錯(cuò)的顯示效果，色彩、對(duì)比度都達(dá)到了比較好的狀態(tài)，而且閃爍程度也非常低。如果要獲得更好的顯示效果，就要選擇支持更高場(chǎng)頻的LCoS芯片。另外，由于該LCoS的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，在屏幕的上沿和下沿還有微弱的色彩混疊現(xiàn)象，這也可以通過(guò)選用支持高場(chǎng)頻的LCoS芯片來(lái)解決。

7 結(jié) 語(yǔ)

　　盡管本系統(tǒng)已經(jīng)取得了不錯(cuò)的顯示效果，但是還不是很完美，還必須采用新型的LCoS芯片。而對(duì)于這種最高支持360 Hz場(chǎng)頻的LCoS芯片，對(duì)硬件速度和D／A的速度都提出了較高的要求：如果源圖像的場(chǎng)頻為60Hz，而每個(gè)子場(chǎng)的頻率為360 Hz，則應(yīng)該有2幀圖像相同，同時(shí)每個(gè)子場(chǎng)的時(shí)間縮短為原來(lái)的一半(與180 Hz子場(chǎng)頻率比)，需要數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)率和D／A速度至少要快一倍。但是這樣的好處就是使本系統(tǒng)所存在的閃爍和色彩交疊顯現(xiàn)的到徹底解決，使單片彩色LCoS系統(tǒng)的顯示質(zhì)量趨于完美。

　　本文主要介紹視頻顯示系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，以LCOS顯示芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出一種基于FPGA的解決方案，使得系統(tǒng)具有靈活性和可修改性，方便以后的升級(jí)以及維護(hù)。并對(duì)FPGA程序的算法做了詳細(xì)的介紹。最后對(duì)系統(tǒng)存在的問(wèn)題做了討論，并提出一些解決方法，以及對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的展望。