SOPC適用于不同規(guī)格LCOS的控制器設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 SOPC適用于不同規(guī)格LCOS的控制器設(shè)計(jì) 通過在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件中構(gòu)建軟核處理器（NIOS）來代替專用集成電路，并在NIOS中嵌入程序，根據(jù)給定的規(guī)模，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了在不同規(guī)模下的各種設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。實(shí)現(xiàn)了只需要輸入系統(tǒng)參數(shù)，就能適用于不同規(guī)模LCOS控制器的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合USB芯片和特定的程序流程，提高了LCOS控制器的適用性和可靠性，降低了器件的成本。 引言 校正器作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的部件，在很大程度上決定著自適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的方向。目前在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使用較多的是變形鏡校正器。 隨著自適應(yīng)技術(shù)在眼底觀測(cè)方向的使用，傳統(tǒng)變形鏡校正器顯露出其固有的缺點(diǎn)，由于受校

2、正單元少的限制，變形鏡校正器很難對(duì)存在高階像差的眼底成像。因此，校正單元多的液晶校正器開始在眼底觀測(cè)領(lǐng)域廣泛使用。與玻璃基板液晶顯示器相比，采用硅基板的液晶顯示器（LCOS）由于具有尺寸小、分辨率高、光效利用率高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前的選擇。作為LCOS驅(qū)動(dòng)電路的為液晶模塊（LCM）提供顯示數(shù)據(jù)和時(shí)序信號(hào)的LCOS控制器通常都是由專用集成電路（ASIC）組成。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要各種分辨率的LCOS，由于每一種LCOS都需要專門的顯示控制器，因此LCOS的設(shè)計(jì)和使用都比較繁瑣。 本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件來代替ASIC，利用可編程片上系統(tǒng)（SOPC）實(shí)現(xiàn)通用LCOS顯示控制器的設(shè)計(jì)

3、。在使用中只需通過對(duì)軟件參數(shù)開展修改，即可完成對(duì)不同分辨率LCOS的控制。由于液晶自適應(yīng)系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，所以為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用USB.協(xié)議開展數(shù)據(jù)傳輸。本文使用了NXP公司的PDIUSBD12的USB芯片、ALTERA公司的器件，采用語言設(shè)計(jì)了USB驅(qū)動(dòng)程序和固件程序，利用硬件描述語言設(shè)計(jì)了通用LCOS控制器并在實(shí)際應(yīng)用中通過測(cè)試，基本上實(shí)現(xiàn)了通用LCOS控制器的預(yù)期目標(biāo)。 系統(tǒng)原理 LCOS的顯示采用逐行掃描方式，即當(dāng)一行被選通以后，這一行中的各列信號(hào)同時(shí)加到列上，并維持一個(gè)掃描行的時(shí)間，當(dāng)這一時(shí)間結(jié)束后選通下一行，各列電極施加下一行的顯示電壓。 目前普通的液晶控制器都是由

4、存儲(chǔ)器和控制器組成，由一塊MCU 接收上位機(jī)發(fā)送過來的顯示數(shù)據(jù)，并由該MCU分配存儲(chǔ)地址，生成時(shí)序信號(hào)，把數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中，而后由液晶顯示模塊讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的存取速度較慢，在讀寫大批量數(shù)據(jù)時(shí)很費(fèi)時(shí)，很難匹配LCOS的響應(yīng)速度，并且當(dāng)更換不同分辨率的LCOS顯示模塊后還需要有新的控制器，存在成本太高且過程煩瑣的缺點(diǎn)。 有鑒于此，本文提出了基于SOPC 設(shè)計(jì)LCOS控制器的思路，即在FPGA 內(nèi)構(gòu)建一個(gè)NIOS軟核處理器和SRAM 存儲(chǔ)器，把SRAM映射到LCOS顯示模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將NIOS與PDIUSBD12以DMA 的方式連接，將NIOS與上位機(jī)以串口的方式連接，通過設(shè)置LCO

5、S參數(shù)和存儲(chǔ)器規(guī)模參數(shù)在內(nèi)的各種參數(shù)，適應(yīng)不同分辨率的LCOS；通過DMA方式節(jié)省傳輸時(shí)間；通過把SRAM 映射到顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)節(jié)省存儲(chǔ)器的存取時(shí)間。如圖所示。 圖LCOS系統(tǒng)原理圖。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .系統(tǒng)引腳信號(hào)時(shí)序分析 一般來說，LCM 引腳都具有如下表所示的功能描述。 表LCM 引腳信號(hào)功能 每個(gè)CP移位脈沖信號(hào)都是通過一系列CP脈沖，把完整的一行顯示數(shù)據(jù)（）存入移位存放器中。移位存放器與鎖存器并口相接，當(dāng)完整的一行顯示數(shù)據(jù)被存入移位存放器后，在鎖存信號(hào)LP的作用下，該行數(shù)據(jù)被鎖存到鎖存器內(nèi)，并輸出給列電極。因此LP的周期應(yīng)為一個(gè)行周期。當(dāng)一幀圖像的一行顯示數(shù)據(jù)存入移位存放器后， 幀掃描信號(hào)

6、變成高電平，其脈寬維持超過一個(gè)LP脈寬。因此 的周期應(yīng)為一幀圖像的時(shí)間，即各行LP的周期和。 是液晶顯示模塊的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一幀時(shí)間改變波形的極性，可以防止液晶顯示的單方向扭曲變形。更為詳細(xì)的引腳信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖和圖所示。 圖引腳信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。 圖引腳信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。 .參數(shù)確定 在設(shè)計(jì)通用分辨率的LCOS控制器之前，先要確定某些參數(shù)。這些參數(shù)包括LCOS的分辨率，LCOS的灰度級(jí)（一般情況下LCOS的灰度為），LCOS顯示器的刷新頻率 ，信號(hào)CP的頻率等。這些參數(shù)由上位機(jī)通過串口發(fā)送到NIOS處理器中。根據(jù)這些參數(shù)，由NIOS計(jì)算得到如下關(guān)系：每一幀的周期為103/a(ms)；每一行的周

7、期為106a-1n-1(us);將一行顯示數(shù)據(jù)寫入存放器的時(shí)間為 （）；每一行的空時(shí)間-u），這一項(xiàng)應(yīng)當(dāng)不小于。依據(jù)計(jì)算后的數(shù)據(jù)和圖、圖所示的信號(hào)關(guān)系，使用定時(shí)器和脈寬調(diào)制器（）生成LCOS的邏輯控制信號(hào)。同樣在NIOS中還要完成SRAM 內(nèi)存的設(shè)計(jì)，內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)是依靠FPGA 中的邏輯門陣列來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)所遵循的原則是SRAM 的容量能至少裝下完整的幀數(shù)據(jù)，即u，一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)用于當(dāng)前顯示，另一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)同時(shí)接收下一幀要顯示的數(shù)據(jù)，這樣的策略雖然消耗了大量的邏輯門數(shù)量，卻可以使低速的存儲(chǔ)器和高速的LCOS顯示器相匹配，同時(shí)更好地發(fā)揮USB的速度優(yōu)勢(shì)。 實(shí)例設(shè)計(jì) 在實(shí)際應(yīng)用中，以256256分

8、辨率、灰度級(jí)的LCOS為例來設(shè)計(jì)LCOS控制器。 首先根據(jù)已有的LCOS計(jì)算各種參數(shù)。對(duì)于256256的LCOS，其刷新頻率為，時(shí)鐘信號(hào)的頻率為。因此，每一幀的周期為，每一行的周期為.（相當(dāng)于個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間），將一行顯示數(shù)據(jù)寫入存放器的時(shí)間為.（相當(dāng)于個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間），每一行的空時(shí)間為.（相當(dāng)于個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間）。如果設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)每一行的空時(shí)間小于，則要提高時(shí)鐘信號(hào)的頻率。 接下來是設(shè)計(jì)SRAM 存儲(chǔ)器，SRAM 容量的設(shè)計(jì)原則是能裝下完整的幀數(shù)據(jù)，即256256就能裝下完整的幀數(shù)據(jù)，但為了便于CP還可以完成其他計(jì)算的需要，內(nèi)存的設(shè)計(jì)要比幀數(shù)據(jù)大一些，這里取幀數(shù)據(jù)容量，同時(shí)設(shè)定固定的區(qū)域?yàn)轱@示緩沖

9、區(qū)。 將USB的數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)同樣設(shè)在該顯示緩沖區(qū)域，這樣通過USB端口輸入的待顯示數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在顯示緩沖區(qū)域。 然后是將外部的LCOS顯示器的數(shù)據(jù)輸入端口作為NIOS處理器的 映射地址，通過DMA處理，使NIOS內(nèi)存的顯示緩沖區(qū)以DMA的方式通過總線與LCOS顯示器的數(shù)據(jù)輸入端口直接輸入。使用DMA和總線的好處是既簡便快速，傳輸又很穩(wěn)定。 在.環(huán)境下對(duì)NIOS控制器開展功能仿真測(cè)試，仿真的波形如圖所示。該控制器的時(shí)序信號(hào)符合設(shè)計(jì)要求。完成功能仿真后，經(jīng)過綜合生成門級(jí)網(wǎng)表，到ALTERA公司系列器件中。 圖NIOS控制器的功能仿真波形。 結(jié)論 利用SOPC和USB設(shè)計(jì)了一種LCOS通用控制器。通常LCOS的價(jià)格較高且不能通用，利用本文的方法可以限度地降低材料成本和設(shè)計(jì)成本