基于FPGA的高光效LCD投影機(jī)設(shè)計(jì)

引言
顯示技術(shù)正朝著大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向發(fā)展。通常說(shuō)來(lái)，將屏幕顯示面對(duì)角線(xiàn)尺寸在1米(40英寸)以上的顯示稱(chēng)為大屏幕顯示。投影機(jī)作為一種重要的顯示設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了金融、教育、企業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，它所具有的大幅面、高清晰多媒體演示功能，使信息的傳遞具有更好的效果。目前，市面上的主流產(chǎn)品是三片式LCD投影機(jī)和DLP投影機(jī)，其中，三片式LCD投影機(jī)的市場(chǎng)份額高達(dá)三分之二。

然而，投影機(jī)的主要采購(gòu)者絕大多數(shù)是政府部門(mén)、企業(yè)和高校。無(wú)論是三片式LCD投影機(jī)還是DLP投影機(jī)，其高昂的價(jià)格一直妨礙著投影機(jī)進(jìn)入普通家庭。為了簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低成本，本文給出了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機(jī)的設(shè)計(jì)方法。

1 投影原理

三片式LCD投影機(jī)的一般電路原理如圖1所示。由圖1可以看出，傳統(tǒng)LCD投影機(jī)的電路原理是把傳送過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)彩色解碼，以產(chǎn)生R、G、B信號(hào)，然后通過(guò)視頻處理電路把該三基色信號(hào)加載在紅、綠、藍(lán)三只單色液晶屏上，最后加在三只單色投影管上，并經(jīng)三只單色投影管還原后，再把圖像通過(guò)光學(xué)透鏡放大幾十倍后由反射鏡反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色圖像。由此可以看出，由于三只投影管和投影鏡頭并非都正對(duì)屏幕放置，三種圖像信號(hào)還原到屏幕上所經(jīng)過(guò)的光路各不相同，而這必然導(dǎo)致R、G、B三色信號(hào)在屏幕上不能完全重合在一起，進(jìn)而引起會(huì)聚失真。

于是，本文從圖1的視頻處理電路和控制電路著手，設(shè)計(jì)了一種新的投影方式，即在一個(gè)液晶屏上呈現(xiàn)R、G、B三基色的單色圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)照射進(jìn)來(lái)的R、G、B三單色光進(jìn)行調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)透射、折射以及圖像拉寬等光學(xué)系統(tǒng)的處理，最終在屏幕上形成彩色網(wǎng)像，該方法的原理圖如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，該沒(méi)計(jì)的最大特點(diǎn)是在一塊LCD屏上分別顯示出R、G、B三基色圖像，并通過(guò)對(duì)單色光進(jìn)行調(diào)制來(lái)投影，而不像傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)，要用三塊LCD屏分別顯示R、G、B基色圖像。

2 投影機(jī)系統(tǒng)電路

在投影機(jī)設(shè)計(jì)中，控制電路的作用是對(duì)輸入的視頻和數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理，以將其轉(zhuǎn)變成適合LCD屏顯示的信號(hào)。投影系統(tǒng)的電路部分如圖3所示。當(dāng)圖像信號(hào)由DVI接口傳送到DVI解碼芯片后，系統(tǒng)可將視頻信號(hào)分解成24位R、G、B單色信號(hào)以及相應(yīng)的控制信號(hào)，再通過(guò)FPGA組成的視頻信號(hào)處理電路進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)DVI編碼芯片恢復(fù)成DVI信號(hào)，最后送至液晶屏。

從系統(tǒng)電路的示意圖可知。以FPGA為核心(包括DVI解碼、編碼芯片在內(nèi))的信號(hào)處理電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分，圖4所示是其數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和傳輸示意圖。從DVI解碼芯片進(jìn)入FPGA的數(shù)據(jù)包括8位并行R／G／B信號(hào)以及行、場(chǎng)控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。事實(shí)上，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻顯示，應(yīng)該對(duì)一幀(筆者使用的LCD屏所支持的最高分辨率為XGA，即1024×768)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。可是，如果對(duì)整幀數(shù)據(jù)一起處理，至少需要2 MB以上的外部存貯器來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，這樣既提高了成本，又增加了電路的復(fù)雜性。因此，在本設(shè)計(jì)中，筆者采用了一種新思路，即對(duì)輸入的視頻數(shù)據(jù)一行一行的進(jìn)行處理，并且在相鄰兩行的數(shù)據(jù)流處理中采用“乒乓操作”，這樣既可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，又簡(jiǎn)化了電路。具體操作如下：