一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機設計

引言

顯示技術(shù)正朝著(zhù)大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向發(fā)展。通常說(shuō)來(lái)，將屏幕顯示面對角線(xiàn)尺寸在1米(40英寸)以上的顯示稱(chēng)為大屏幕顯示。投影機作為一種重要的顯示設備，已經(jīng)廣泛地應用到了金融、教育、企業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，它所具有的大幅面、高清晰多媒體演示功能，使信息的傳遞具有更好的效果。目前，市面上的主流產(chǎn)品是三片式LCD投影機和DLP投影機，其中，三片式LCD投影機的市場(chǎng)份額高達三分之二。

然而，投影機的主要采購者絕大多數是政府部門(mén)、企業(yè)和高校。無(wú)論是三片式LCD投影機還是DLP投影機，其高昂的價(jià)格一直妨礙著(zhù)投影機進(jìn)入普通家庭。為了簡(jiǎn)化設備結構，降低成本，本文給出了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機的設計方法。

1 投影原理

三片式LCD投影機的一般電路原理如圖1所示。由圖1可以看出，傳統LCD投影機的電路原理是把傳送過(guò)來(lái)的視頻信號通過(guò)彩色解碼，以產(chǎn)生R、G、B信號，然后

通過(guò)視頻處理電路把該三基色信號加載在紅、綠、藍三只單色液晶屏上，最后加在三只單色投影管上，并經(jīng)三只單色投影管還原后，再把圖像通過(guò)光學(xué)透鏡放大幾十倍后由反射鏡反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色圖像。由此可以看出，由于三只投影管和投影鏡頭并非都正對屏幕放置，三種圖像信號還原到屏幕上所經(jīng)過(guò)的光路各不相同，而這必然導致R、G、B三色信號在屏幕上不能完全重合在一起，進(jìn)而引起會(huì )聚失真。

于是，本文從圖1的視頻處理電路和控制電路著(zhù)手，設計了一種新的投影方式，即在一個(gè)液晶屏上呈現R、G、B三基色的單色圖像數據，并對照射進(jìn)來(lái)的R、G、 B三單色光進(jìn)行調制，然后經(jīng)過(guò)透射、折射以及圖像拉寬等光學(xué)系統的處理，最終在屏幕上形成彩色網(wǎng)像，該方法的原理圖如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，該沒(méi)計的最大特點(diǎn)是在一塊LCD屏上分別顯示出R、G、B三基色圖像，并通過(guò)對單色光進(jìn)行調制來(lái)投影，而不像傳統的投影系統，要用三塊LCD屏分別顯示R、G、B基色圖像。

2 投影機系統電路

在投影機設計中，控制電路的作用是對輸入的視頻和數字圖像信號進(jìn)行處理，以將其轉變成適合LCD屏顯示的信號。投影系統的電路部分如圖3所示。當圖像信號由DVI接口傳送到DVI解碼芯片后，系統可將視頻信號分解成24位R、G、B單色信號以及相應的控制信號，再通過(guò)FPGA組成的視頻信號處理電路進(jìn)行相關(guān)轉換，然后經(jīng)過(guò)DVI編碼芯片恢復成DVI信號，最后送至液晶屏。

從系統電路的示意圖可知。以FPGA為核心(包括DVI解碼、編碼芯片在內)的信號處理電路是整個(gè)設計中最為關(guān)鍵的部分，圖4所示是其數據讀寫(xiě)和傳輸示意圖。從DVI解碼芯片進(jìn)入FPGA的數據包括8位并行R/G/B信號以及行、場(chǎng)控制信號和時(shí)鐘信號。事實(shí)上，為實(shí)現實(shí)時(shí)視頻顯示，應該對一幀(筆者使用的 LCD屏所支持的最高分辨率為XGA，即1024×768)數據進(jìn)行處理?？墒?，如果對整幀數據一起處理，至少需要2 MB以上的外部存貯器來(lái)對數據進(jìn)行緩存，這樣既提高了成本，又增加了電路的復雜性。因此，在本設計中，筆者采用了一種新思路，即對輸入的視頻數據一行一行的進(jìn)行處理，并且在相鄰兩行的數據流處理中采用“乒乓操作”，這樣既可實(shí)現實(shí)時(shí)顯示，又簡(jiǎn)化了電路。具體操作如下：

① 通過(guò)模塊調用將FPGA的片內RAM分為“RAM_A”和“RAM_B”;

② 在第一個(gè)行周期，將輸入的第一行數據流緩存到“RAM_A”：因為一行視頻信號有3K字節，為了實(shí)現在LCD屏上三基色的分離，在對數據進(jìn)行存儲時(shí)，不能按照數據進(jìn)入FPGA的順序來(lái)存儲，而應將紅色數據依次存放在第1至第1024個(gè)存儲單元，綠色數據存放在第1025至第2048個(gè)存儲單元，藍色數據則放在第2049至第3072個(gè)存儲單元，即將原來(lái)的象素“打亂”存放;

③ 在第二個(gè)行周期，按照步驟②中所描述的方法將第二行的視頻信號存入“RAM_B”，同時(shí)將“RAM_A”中所存的第一行視頻信號依次從I/O口讀出，再經(jīng)DVI編碼芯片編碼后送至LCD屏，即在讀出數據時(shí)“按序”讀取;

④ 重復步驟②、③，使讀、寫(xiě)操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”間循環(huán)進(jìn)行，直至一幀數據傳輸完畢。

① 通過(guò)模塊調用將FPGA的片內RAM分為“RAM_A”和“RAM_B”;

② 在第一個(gè)行周期，將輸入的第一行數據流緩存到“RAM_A”：因為一行視頻信號有3K字節，為了實(shí)現在LCD屏上三基色的分離，在對數據進(jìn)行存儲時(shí)，不能按照數據進(jìn)入FPGA的順序來(lái)存儲，而應將紅色數據依次存放在第1至第1024個(gè)存儲單元，綠色數據存放在第1025至第2048個(gè)存儲單元，藍色數據則放在第2049至第3072個(gè)存儲單元，即將原來(lái)的象素“打亂”存放;

③ 在第二個(gè)行周期，按照步驟②中所描述的方法將第二行的視頻信號存入“RAM_B”，同時(shí)將“RAM_A”中所存的第一行視頻信號依次從I/O口讀出，再經(jīng)DVI編碼芯片編碼后送至LCD屏，即在讀出數據時(shí)“按序”讀取;

④ 重復步驟②、③，使讀、寫(xiě)操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”間循環(huán)進(jìn)行，直至一幀數據傳輸完畢。

此時(shí)，LCD屏上顯示數據的具體算法如圖5所示，即R1，2占據G1，1的位置(即第2個(gè)單元)，R1，3占據B1，1的位置(即第3個(gè)單元)，R1，4占據第4個(gè)單元，以此類(lèi)推，直至1024個(gè)紅色數據在LCD屏上排列完畢，再開(kāi)始綠色數據，繼而是藍色數據。這樣便可達到圖2中在一塊LCD屏上分別顯示 R、G、B圖像的目的。

本設計中所采用的FPGA是Altera公司Cvclone系列中的EP1C6Q240C8。該FPGA的片內存儲器容量為90kbits，完全能夠勝任對分辨率為XGA顯示模式的視頻信號進(jìn)行行處理。如果要支持更高分辨率的投影模式或對圖像進(jìn)行整幀的處理，只需更換具有更大片內RAM資源的FPGA或是在FPGA的I/O口外接片外存儲器。DVI解碼和編碼芯片分別選用Sil161和Sil164。

這種基于FPGA的控制器除可用投影機的視頻信號處理外，還可應用于平板顯示中有關(guān)圖像的翻轉、截取以及象素的抽取等。其操作的關(guān)鍵是對數據讀、寫(xiě)地址的控制。

3 液晶屏的處理和光學(xué)調整

現在市面上的TFT液晶板都是有濾色膜的。本設計如果直接使用這種液晶板，那么當R、G、B三單色光分別照射到R、G、B圖像區域的時(shí)候，濾色膜會(huì )吸收掉很大一部分光能，從而從投影亮度過(guò)低，無(wú)法達到應用要求。因此，本設計中所采用的液晶板需去掉濾色膜或者沒(méi)有濾色膜的產(chǎn)品，以提高光源利用率和投影亮度。

由于視頻信號在LCD屏上分為R、G、B三個(gè)部分，因此，三基色圖像通過(guò)液晶板匯聚以后，會(huì )形成一幅高度和原圖像相等。寬度壓縮為原圖像三分之一的彩色圖像。這時(shí)，只需要一枚寬銀幕鏡頭即可將該壓縮圖像拉寬，從而使其恢復到正常圖像。

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)家庭影院概念的普及，約來(lái)越多的消費者希望在

家中享受大制作影片所帶來(lái)的強烈震撼。然而，昂貴的投影機卻讓很多家庭望而卻步。本文從實(shí)際應用出發(fā)，設計了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影方式。不難看出，該投影系統將具有如下優(yōu)勢：

(1) 一旦產(chǎn)業(yè)化，這種新型投影機的成本比其它的LCD投影機要低很多，因而易于進(jìn)入普通家庭;

(2) 集成度高，體積小，信息容量大，速度快;

(3) 光利用率顯著(zhù)提高，從而提高了顯示質(zhì)量。