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

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��；

(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(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，利用人眼的視覺殘留效應(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I／O管腳。經(jīng)過評(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(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)。