基于ARM和FPGA的DMD驱动波形实验平台 数字电视, 领域, 色彩, 投影, 拓展

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摘 要： 提出了一种基于ARM和FPGA的数字微镜器件（DMD）驱动波形实验平台的设计,该设计由数字微镜驱动器和电压转换器两部分构成。阐述了数字微镜驱动器和电压转换器的硬件工作原理,以及ARM微控制器和FPGA的软件工作流程。实验结果表明，该系统能够达到预计的设计要求。
数字微镜器件DMD(Digital Micromirror Device)由美国德州仪器公司于1987年发明[1]，由其构成的成像系统具有体积小、重量轻、呈像色彩丰富、清晰度高等优点。应用十分广泛，已经由最初的投影、高清数字电视领域拓展到了立体显示、平面印刷等方面[2]。相对于国外的领先技术，我国在这方面的研究相对滞后，因此对数字微镜及其驱动技术的研究具有重要的意义。在数字微镜器件的驱动开发过程中，很重要的一个过程是寻找控制微镜翻转的最佳驱动波形和最优驱动电压。由于微镜制作工艺不同，物理特性各异，不同的产品需要不同的驱动波形来满足其驱动要求。目前的研究与开发中，缺少普适的驱动波形实验平台，而本文提出的设计满足了这方面的需求。
1 DMD的驱动原理及其驱动影响因素
1.1 DMD的驱动原理
数字微镜器件是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成[3]。将一个数字式光反射开关称为一个微镜单元。在呈像过程中，每个微镜单元对应了图像中的一个像素，通过控制微镜的旋转角度与时间来改变呈现的图像及其特性。图1为一个微镜单元的机械结构，微镜有3个微型电极，分别为：VON、VMIRROR、VOFF，其中VMIRROR为偏置电压，VON、VOFF为驱动电压。这3个微型电极可以被数字信号激活，控制微镜开关的电平可由式(1)和式(2)得到：


当V开为高电平、V关为低电平时,镜片迎着光源(开启),将会有一个白色像素通过镜头反射到屏幕上;当V开为低电平、V关为高电平时，镜片避开光源(关闭)，镜面像素在荧幕上的位置呈现深色。实现了通过数字信号调节微镜单元的翻转方向，进而改变呈像。为了产生灰度变化的图像，需要控制微镜开关状态的时间。通过控制高电平的持续时间，即改变驱动波形的占空比实现：V开保持高电平的时间长，则微镜开启时间也长，对应的灰度像素就浅；V关保持高电平的时间长，则微镜关闭时间也长，对应的灰度像素就深。微镜工作示意图如图2所示。


1.2 DMD的驱动影响因素
在DMD芯片中，微镜是最小的工作单位，也是影响其性能的关键。DMD是微机电系统MEMS的一员，通过静电力的作用控制微镜的偏转[4]，因此微镜的工作性能与其制作工艺息息相关。在微镜翻转的过程中，微镜在机械结构限位和控制电压的作用下，最终稳定在相应的位置[5]，因此其机械结构与控制电压需要完美配合，才能保证微镜的完美工作。
通过上述分析可知，不同的制作工艺，不同的微镜机械结构都会对数字微镜器件的驱动波形提出不同的要求。针对不同的微镜，对应的最佳工作模式也有所不同，需要在驱动开发过程中寻找最佳的驱动波形模式。
2 系统功能与整体方案
2.1 系统功能
本系统由数字微镜驱动器和电压转换器两部分构成，实现驱动波形的设定、产生以及调整。其优点在于：(1)增强了系统的灵活性，方便扩展其他功能；(2)操作简单方便，可控性强。整个系统具有很强的可变性，针对不同的数字微镜器件，可以方便地设定驱动波形，调整驱动电压，进而确定最佳的工作状态，其中电压幅度范围可以达到10 V~60 V。
2.2 整体方案
系统整体设计分为两个部分：数字微镜驱动器和电压转换器。数字微镜驱动器主要完成接收PC的参数设定，产生波形、调整波形，其中与PC之间的通信是基于USB完成的。电压转换器主要完成驱动电压的转换，以及负载电流的采集与放大。
3 硬件电路设计与实现
3.1 数字微镜驱动器的硬件系统
　　数字微镜驱动器作为驱动波形实验平台的核心部分,其硬件系统如图3所示,该系统结合了ARM微处理器(S3C2440)与FPGA。ARM微处理器作为控制核心，主要实现以下功能： (1)与PC通信，实现对数字微镜器件驱动波形相关参数的编辑与输入；(2)与FPGA通信，传递目标驱动波形的相关参数以及控制指令； (3)控制光源控制器(色轮、LED、Laser)； (4)控制触摸屏，用于菜单显示、状态显示以及简单的控制与设置； (5)处理电流反馈信息，并及时调整驱动波形。本系统充分利用了ARM微处理器丰富的外部接口，包括触摸屏、USB接口等，很好地提高了系统的实用性，操作更为人性化。
FPGA是本系统的另一个核心处理器，与ARM微处理器相比具有同步性好、精确度高、可靠性好等特点，更加适合用于最终产生驱动微镜进行快速翻转的驱动波形，本文所选用FPGA的时钟为100 MHz，满足了驱动波形的编辑需求，并且波形的编辑简单、操作容易，便于开发者方便快捷地确定微镜的最佳驱动波形。
3.2 电压转换器的硬件实现
电压转换器用于将FPGA输出的3.3 V的CMOS驱动信号转换成电压幅度,满足微镜阵列驱动要求的驱动波形，图4所示为电压转换器的电压转换原理图。在本电路中，选用IR2105作为MOS管的驱动芯片。这是一款高电压、高速度的MOS管驱动芯片，其输入的逻辑电平与CMOS电平以及TTL电平相兼容。因此，FPGA的输出信号可直接作为IR2105的输入信号，其输出信号HO与输入信号的相位一致，LO与输入信号的相位相反。当输入信号为高电平时，HO为高电平，LO为低电平，此时，Q1导通，Q2截止，输出高电平(VCC)；当输入信号为低电平时，HO为低电平，LO为高电平，此时，Q1截止，Q2导通，输出低电平(0 V)。因此输出端得到高电平为VCC，低电平为0，与输入信号同相的驱动波形。其中VCC可以通过外加电源直接进行调节，高电平的调节范围取决于所选择的MOS管漏极能承受的最大电压,因此10 V~60 V的电压幅度范围可以轻松实现。当输出电压为VCC时，根据式(3)可知，负载电流只与负载有关，具有很强的电流驱动能力。


4 软件设计方案
4.1 ARM微处理器的控制功能
ARM微处理器作为控制的核心，其控制流程主要包括：光源的控制与检测、负载电流的检测、控制菜单的显示、触摸屏的控制以及驱动波形主要参数的编辑与传递。
在主函数执行的操作：对控制界面以及数字微镜的状态进行初始化；启动光源并检测其工作状态，一旦发现异常，即关闭光源；系统进入循环工作和检测状态，主要包括控制界面的检测、负载电流的检测以及光源的检测。根据控制界面的检测结果，执行相关的指令(改变参数、控制微镜开关等)；分析负载电流的反馈大小调整驱动波形；光源工作异常时，及时退出循环，关闭光源。
4.2 FPGA的工作流程
在波形发生器的工作过程中，FPGA主要用于根据驱动波形的相关参数产生对应的驱动波形，其工作流程如下：置数字微镜于“关”的状态，当ARM微处理器有指令或参数传递时，执行相关指令。其中，ARM微处理器传递给FPGA的指令与参数包括驱动波形的基本信息与参数、波形的产生与停止控制等。
整个实验平台充分利用了ARM微处理器强大的驱动和通信能力，以及FPGA准确、快速的优势。在保证了驱动波形的准确性与多变性的同时,更加方便和人性化。
5 测试结果
在实验过程中，根据实验平台实现的功能，设计了如图5所示的操作界面，实现了驱动波形相关参数(频率和占空比)的编辑与更改、负载电流以及光源控制器工作情况的显示、系统工作状态的控制等。


图6给出了通过实验平台产生的驱动波形，其中波形的占空比以及电压幅度都是可以改变的，进而得到形态各异的驱动波形。


本文提出了一种数字微镜驱动波形实验平台的设计。该系统将ARM微处理器与FPGA相结合，充分利用两者的优点，并通过电压转换器对电平进行变换。最终实现了一个波形准确可变、界面友好便捷、适用广泛的数字微镜驱动波形实验平台，为数字微镜驱动的开发提供了很好的实验平台。
作者：沈倩文， 刘一清，来源：电子技术应用2013年第8期