单片彩色LCoS显示系统的设计实现

1 引言

　　硅上液晶显示(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)技术是CMOS半导体集成电路和液晶显示相结合的技术。LCoS技术具有如下优势：

　　(1)可以利用标准CMOS工艺和成熟的LCD工艺线；

　　(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开口率。

　　由于其技术和制造优势，LCoS技术有着广泛的应用前景。由于其尺寸小、功耗低、分辨率高，可以用作移动通讯等设备的显示屏，如头盔显示。目前彩色LCoS显示系统主要分为单片和三片式系统2种，单片式系统对于三片式系统主要有以下优点：体积小，成本低，易于实现小型化；三片式需要像素校准，而单片式则不需要。本文主要讨论单片彩色LCoS显示系统的设计与实现。

　　2 显示原理

　　三片式彩色LCoS显示系统利用空间混色实现彩色显示，而单片式彩色LCoS系统只用1片LCoS芯片，分时扫描红、绿、蓝3个子场的图像，并且在每个子场结束的时，分别将对应颜色的背光灯打开，利用人眼的视觉残留效应实现彩色显示。当子场的频率越高，图像的闪烁程度就越低。

　　3 系统总体概述

　　单片彩色LCoS整个系统的框图如图1所示。

　　在整个系统的最前端是1块以AD9887A为主芯片的图像源板，该板负责对DVI信号进行解码，解码后的信号交由后面的FPGA板进行处理；FPGA板除了对图像数据进行重组外，还需要产生LCoS驱动板和LCoS芯片所需的时序，FPGA芯片使用Altera的EP1C6，另外板上还有2组6片SRAM作为图像数据的缓存；LCoS驱动板的任务是进行D／A转换，驱动LCoS芯片模块进行显示，该驱动板包括D／A芯片AD8381和LCoS芯片的电源模块；LCoS芯片模块则包括LCoS显示芯片、LED背光模块以及光学组件。

　　4 主要芯片介绍

　　主控板的核心器件FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，该器件包括5 980个LE，80 kb的内部SRAM，2个内部PLL，最大可支持185个用户I／O管脚。经过评估，其丰富的资源可以很好地完成LCoS的主控单元的所有功能，包括：接收前级转换好的视频数据，处理后保存到一组RAM中，同时从另一组RAM中读出处理好的数据送至D／A，并控制D／A转换，产生LCoS的上屏时序和LED光照系统的控制时序。

　　板载SRAM采用ISSI公司的IS61LV10248，用作图像数据的缓存，单片容量为1 M×8 b字节。本系统共使用6片这样的SRAM。分为2组，每组3片，进行乒乓操作。每组SRAM地址线共享，数据线位宽扩展为24 b。

　　本系统D／A转换采用Analog Device公司的AD8381。该芯片支持高达100 MHz的10 b数字输入，6路9～18 V电压的模拟输出。其典型时序如图2所示。图2中DB(0：9)是输入的数字信号；CLK是采样时钟；STSQ表示新的一组数字信号的开始；XFR表示开始一次转换，其下降沿有效。本系统采用的LCoS芯片为8路模拟输入，因此这里采用2片AD8381，每1片用到其中的4路。

　　根据图2中的时序，并考虑到实际情况，具体应用如下：每个周期同时向两个AD8381的数据口发送一个像素数据，4个周期后进行数据锁存，由STSQ和XFR这两个控制信号控制，这样同时得到8个像素的像素值，而不需要如图2那样发送6个数据后再进行一次转换。输出的模拟电压值在下一个锁存信号的下降沿完成转换。STSQ和XFR这2个管脚由同一个FPGA管脚驱动即可。在其他管脚中，E／O信号和R／L信号分别用于选择时钟信号是上升沿有效还是下降沿有效和像素数据发送顺序，这里设计成外部跳线。另一个控制信号INV用来确定图像数据电压是正信号还是负信号的，由于液晶的特性，在每帧开始时将其取反。而AD8381的参考电压VMID和屏的参考电压VCOM连接在一起，在INV的配合下，实现对屏的交流驱动。

　　5 FPGA程序设计

　　5.1 模块划分

　　整个FPGA程序的模块框图如图3所示。主要包括：D／Ata Capture模块，负责将输入的数据按一定的格式顺序存放到SRAM中；Switch模块，负责控制RAM的切换；D／AtaOutput模块，负责从SRAM中读取数据按照一定的格式发送出去；Output timing Generator模块，负责生成输出的控制时序，并且控制D／Ata Output模块的输出和Switch模块的切换，而该模块的工作是受到D／Ata Cap-ture模块控制的。

　　5.2 存储安排

　　为了获得较大的数据位宽，并且考虑到FPGA管脚数量，用于缓存图像的SRAM选用的是3片1 M×8 b容量的，作位扩展，这样可以存放下完整的1帧数据。具体说就是每个地址存储的大小是3个字节，可以用来存放3个像素的数据(同种颜色)。地址0x0放置3个像素的红，而地址0x1存放3个像素绿，地址0x2存放3个像素蓝，而这3个地址的3个像素在屏幕上是第一行的第1，2，3个像素，接下来地址0x3又存放了3个红色像素，如此循环，直到地址0xBFFFF存放最后3个像素的蓝色数据。如图4所示。