相較于透射式LCD，LCoS具有光利用率高、體積小、開(kāi)口率高、器件尺寸小等特點(diǎn)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)高分辨率和微顯示投影。采用彩色LCoS屏顯示基于RGB的彩色圖像，經(jīng)過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)投影到接收屏上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息圖像的三維顯示。
基于FPGA的顯示系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：第一，LCoS尺寸小，便于實(shí)現(xiàn)微投影，利用可靈活編程的FPGA器件作為驅(qū)動(dòng)控制器，這樣就可以將其做成像普通投影儀一樣的微型投影設(shè)備，使計(jì)算全息三維顯示擺脫了計(jì)算機(jī)和復(fù)雜光路的束縛，具有了更高的靈活性，為其走出實(shí)驗(yàn)室提供了條件。第二，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)空間光調(diào)制器上得到的圖像里含有物波和參考光的復(fù)共軛像，形成了噪聲，在FPGA上可以實(shí)現(xiàn)圖像濾波去噪，使得到的圖像更清晰。第三，F(xiàn)PGA是基于可編程邏輯單元的器件，當(dāng)經(jīng)過(guò)綜合、布局布線、時(shí)鐘約束的代碼燒錄到FPGA器件后，F(xiàn)PGA就將算法代碼硬件化了，可以作為專(zhuān)用芯片工作，其內(nèi)部信號(hào)延時(shí)完全是硬件級(jí)傳輸延時(shí)。在處理數(shù)據(jù)搬移和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及一些循環(huán)操作時(shí)，例如圖像的FFT變換，F(xiàn)PGA硬件運(yùn)算要比軟件運(yùn)算快得多，即利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件算法的硬件加速。
基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的LCoS驅(qū)動(dòng)代碼及圖像的FFT變換系統(tǒng)，為計(jì)算全息三維顯示圖像處理和顯示提供了硬件平臺(tái)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)模塊框圖：
該系統(tǒng)采用CycloneⅢ EP3C5E144C8，該芯片有5 136個(gè)LE，95個(gè)用戶(hù)I／O，2個(gè)PLL，以及46個(gè)嵌入式乘法器和423 936 b的內(nèi)部邏輯寄存器。以它豐富的資源，完全可以作為L(zhǎng)CoS的驅(qū)動(dòng)控制器件。顯示屏采用Himax的反射式LCoS屏HX7308，其分辨率為1 024×768，可以支持256級(jí)灰度顯示，具有內(nèi)置的行場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電路，在外部輸入時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別接收8b×4dots圖像數(shù)據(jù)，這保證了場(chǎng)頻可高達(dá)360 Hz。
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。
1．2 PLL及系統(tǒng)復(fù)位模塊
采用Altera的鎖相環(huán)IP核，外部輸入時(shí)鐘為20 MHz，經(jīng)倍頻后得到其他各模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，以及LCoS的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)。為防止系統(tǒng)異步復(fù)位時(shí)寄存器出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，設(shè)計(jì)了PLL的前級(jí)和后級(jí)D觸發(fā)器。因?yàn)殒i相環(huán)的locked引腳在鎖相環(huán)穩(wěn)定輸出后才會(huì)跳變?yōu)楦唠娖?，所以為保證其他模塊得到穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，將locked引腳和外部輸入復(fù)位信號(hào)rst_n相與后作為整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)。
1．3 單口ROM模塊
利用FPGA內(nèi)部的M9K存儲(chǔ)器資源實(shí)現(xiàn)的單口ROM作為源圖像的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。將分辨率為176×144(QCIF)的256階灰度位圖圖像初始化到單口ROM里，所需數(shù)據(jù)深度為25 344 B。當(dāng)異步FIFO沒(méi)寫(xiě)滿時(shí)，單口ROM將按圖像存儲(chǔ)地址依次輸出圖像數(shù)據(jù)給FFT核做快速傅里葉變換。經(jīng)過(guò)處理的圖像數(shù)據(jù)暫存到FIFO)里，等待行場(chǎng)時(shí)序控制器模塊取用。
1．4 異步FIFO模塊
按其數(shù)據(jù)地址最高2位分為4個(gè)區(qū)間，讀／寫(xiě)指針?lè)謩e對(duì)某一區(qū)間操作，當(dāng)讀／寫(xiě)指針相等時(shí)通過(guò)譯碼器產(chǎn)生FIFO已讀空或者已寫(xiě)滿標(biāo)志信號(hào)。為避免地址信號(hào)變化時(shí)出現(xiàn)冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，寫(xiě)地址和讀地址指針都采用格雷碼編碼。在讀空比較子模塊和寫(xiě)滿比較子模塊里加入了FI-FO“將空”和“將滿”檢驗(yàn)機(jī)制，有效地保證了FIFO正確無(wú)誤的工作。在寫(xiě)時(shí)鐘wrclk的上升沿，異步FIFO每個(gè)地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元里被寫(xiě)入8bits數(shù)據(jù)，在讀時(shí)鐘rdclk的上升沿，F(xiàn)IFO四塊連續(xù)地址上的32bits數(shù)據(jù)輸出，即讀FIFO的速率相當(dāng)于寫(xiě)FIFO速率的4倍速。
1．5 I2C狀態(tài)機(jī)模塊
沒(méi)有滿足I2C配置條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，當(dāng)滿足I2C配置條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)在狀態(tài)標(biāo)志位的控制下依次輸出配置地址和配置數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)配置結(jié)束時(shí)，狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生停止信號(hào)，并拉高輸出引腳iic_config，通知行場(chǎng)時(shí)序控制器模塊開(kāi)始工作，這樣保證了LCoS屏能在正確配置下工作。狀態(tài)機(jī)工作原理如圖2所示。
