單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的設(shè)計實現(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：

(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??；

(3)即使像素尺寸非常小，仍可以得到非常高的開口率。

　　由于其技術(shù)和制造優(yōu)勢，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)對于三片式系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：體積小，成本低，易于實現(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)計與實現(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，分時掃描紅、綠、藍3個子場的圖像，并且在每個子場結(jié)束的時，分別將對應(yīng)顏色的背光燈打開，利用人眼的視覺殘留效應(yīng)實現(xiàn)彩色顯示。當(dāng)子場的頻率越高，圖像的閃爍程度就越低。

3 系統(tǒng)總體概述

　　單片彩色LCoS整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

　　在整個系統(tǒng)的最前端是1塊以AD9887A為主芯片的圖像源板，該板負責(zé)對DVI信號進行解碼，解碼后的信號交由后面的FPGA板進行處理；FPGA板除了對圖像數(shù)據(jù)進行重組外，還需要產(chǎn)生LCoS驅(qū)動板和LCoS芯片所需的時序，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)動板的任務(wù)是進行D／A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動LCoS芯片模塊進行顯示，該驅(qū)動板包括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LE，80 kb的內(nèi)部SRAM，2個內(nèi)部PLL，最大可支持185個用戶I／O管腳。經(jīng)過評估，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：接收前級轉(zhuǎn)換好的視頻數(shù)據(jù)，處理后保存到一組RAM中，同時從另一組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，進行乒乓操作。每組SRAM地址線共享，數(shù)據(jù)線位寬擴展為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。其典型時序如圖2所示。圖2中DB(0：9)是輸入的數(shù)字信號；CLK是采樣時鐘；STSQ表示新的一組數(shù)字信號的開始；XFR表示開始一次轉(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中的時序，并考慮到實際情況，具體應(yīng)用如下：每個周期同時向兩個AD8381的數(shù)據(jù)口發(fā)送一個像素數(shù)據(jù)，4個周期后進行數(shù)據(jù)鎖存，由STSQ和XFR這兩個控制信號控制，這樣同時得到8個像素的像素值，而不需要如圖2那樣發(fā)送6個數(shù)據(jù)后再進行一次轉(zhuǎn)換。輸出的模擬電壓值在下一個鎖存信號的下降沿完成轉(zhuǎn)換。STSQ和XFR這2個管腳由同一個FPGA管腳驅(qū)動即可。在其他管腳中，E／O信號和R／L信號分別用于選擇時鐘信號是上升沿有效還是下降沿有效和像素數(shù)據(jù)發(fā)送順序，這里設(shè)計成外部跳線。另一個控制信號INV用來確定圖像數(shù)據(jù)電壓是正信號還是負信號的，由于液晶的特性，在每幀開始時將其取反。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，實現(xiàn)對屏的交流驅(qū)動。

5 FPGA程序設(shè)計

5.1 模塊劃分

　　整個FPGA程序的模塊框圖如圖3所示。主要包括：D／Ata Capture模塊，負責(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，負責(zé)控制RAM的切換；D／AtaOutput模塊，負責(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，負責(zé)生成輸出的控制時序，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，作位擴展，這樣可以存放下完整的1幀數(shù)據(jù)。具體說就是每個地址存儲的大小是3個字節(jié)，可以用來存放3個像素的數(shù)據(jù)(同種顏色)。地址0x0放置3個像素的紅，而地址0x1存放3個像素綠，地址0x2存放3個像素藍，而這3個地址的3個像素在屏幕上是第一行的第1，2，3個像素，接下來地址0x3又存放了3個紅色像素，如此循環(huán)，直到地址0xBFFFF存放最后3個像素的藍色數(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。每個時鐘從AD9887A板過來的數(shù)據(jù)是24位的RGB數(shù)據(jù)，8位紅，8位綠，8位藍，而實際輸出的時候是按照1幀紅1幀綠1幀藍的順序輸出的。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)換是通過一個狀態(tài)機實現(xiàn)，其中有6個24 b的寄存器r1～r6用來緩沖6個像素的RGB值。用6個狀態(tài)完成類似矩陣轉(zhuǎn)換的任務(wù)，每個狀態(tài)會輸出1個24 b的轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，并生成地址，即每個狀態(tài)都會將1個24 b的數(shù)據(jù)存入到SRAM中，而這24 b就是3個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。每個時鐘周期從SRAM中讀取到的是3個像素的數(shù)據(jù)，而每個時鐘發(fā)送到每個AD8381的是一個像素數(shù)據(jù)，因此是不同步的，需要使用雙時鐘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FIFO放人4個像素。每個時鐘放2個像素。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，因此下一個地址的值是加3而不是加1。

6 實驗結(jié)果

　　經(jīng)過對比實驗證實，在子場場頻比較低的時候，單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的閃爍程度會比較高。由于條件所限，研究中選用的LCoS芯片所支持的最高場頻為120 Hz，該芯片是為三片式LCoS系統(tǒng)設(shè)計的，因此用在單片彩色系統(tǒng)中具有一定的局限性。實驗中FPGA程序可以實現(xiàn)90 Hz，120 Hz和180 Hz三種子場頻率。在相同的背光源條件下，90 Hz場頻時的色彩相對于其他兩種要好些；180 Hz時系統(tǒng)也完全能夠正常運作，只是色彩稍差，這與LCoS芯片本身有關(guān)，不過其閃爍程度已經(jīng)可以忽略；120 Hz子場時的閃爍還是比較明顯的，色彩和90 Hz子場時基本差不多。

　　因此，要實現(xiàn)單片彩色LCoS顯示系統(tǒng)的無閃爍，必須使用較高的子場頻(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)計的LCoS芯片，其支持的場頻可達360 Hz，如果選用這樣的芯片，就可以實現(xiàn)無閃爍顯示。

　　就本系統(tǒng)來說，已經(jīng)獲得了不錯的顯示效果，色彩、對比度都達到了比較好的狀態(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頻的LCoS芯片。另外，由于該LCoS的響應(yīng)時間比較長，在屏幕的上沿和下沿還有微弱的色彩混疊現(xiàn)象，這也可以通過選用支持高場頻的LCoS芯片來解決。

7 結(jié) 語

　　盡管本系統(tǒng)已經(jīng)取得了不錯的顯示效果，但是還不是很完美，還必須采用新型的LCoS芯片。而對于這種最高支持360 Hz場頻的LCoS芯片，對硬件速度和D／A的速度都提出了較高的要求：如果源圖像的場頻為60Hz，而每個子場的頻率為360 Hz，則應(yīng)該有2幀圖像相同，同時每個子場的時間縮短為原來的一半(與180 Hz子場頻率比)，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)動時序要求為設(shè)計標(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，方便以后的升級以及維護。并對FPGA程序的算法做了詳細的介紹。最后對系統(tǒng)存在的問題做了討論，并提出一些解決方法，以及對未來系統(tǒng)的展望。