摘　要：通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件中構(gòu)建軟核處理器（NIOSⅡ）來(lái)代替專用集成電路，并在NIOSⅡ中嵌入Ｃ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。

１　引　　言

校正器作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心部件，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(kāi)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)，成為目前的最佳選擇。作為L(zhǎng)COS驅(qū)動(dòng)電路的核心———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(lái)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)。在使用中只需通過(guò)對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行修改，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USB２．０協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文使用了NXP公司的PDIUSBD12的USB芯片、ALTERA公司的ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８器件，采用Ｃ＋＋語(yǔ)言設(shè)計(jì)了USB驅(qū)動(dòng)程序和固件程序，利用ＶＨＤＬ硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了通用LCOS控制器并在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)測(cè)試，基本上實(shí)現(xiàn)了通用LCOS控制器的預(yù)期目標(biāo)。

２　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存儲(chǔ)器和控制器組成，由一塊MCU 接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)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(guò)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)NIOSⅡ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NIOSⅡ與PDIUSBD12以DMA 的方式連接，將NIOSⅡ與上位機(jī)以串口的方式連接，通過(guò)設(shè)置LCOS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(guò)DMA方式節(jié)省傳輸時(shí)間；通過(guò)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１所示。

LCOS系統(tǒng)原理圖

圖１　LCOS系統(tǒng)原理圖。

３　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．１　系統(tǒng)引腳信號(hào)時(shí)序分析

一般來(lái)說(shuō)，LCM 引腳都具有如表１所示的功能描述。

表１　LCM 引腳信號(hào)功能

LCM 引腳信號(hào)功能

每個(gè)CP移位脈沖信號(hào)都是通過(guò)一系列CP脈沖，把完整的一行顯示數(shù)據(jù)（Ｄ０～Ｄ７）存入移位寄存器中。移位寄存器與鎖存器并口相接，當(dāng)完整的一行顯示數(shù)據(jù)被存入移位寄存器后，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)一幀圖像的最后一行顯示數(shù)據(jù)存入移位寄存器后，ＦＬＭ 幀掃描信號(hào)變成高電平，其脈寬維持超過(guò)一個(gè)LP脈寬。因此ＦＬＭ 的周期應(yīng)為一幀圖像的時(shí)間，即各行LP的周期和。Ｍ 是液晶顯示模塊的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每一幀時(shí)間改變一次波形的極性，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２和圖３所示。

引腳信號(hào)的時(shí)序關(guān)系１

圖２　引腳信號(hào)的時(shí)序關(guān)系１。

圖３　引腳信號(hào)的時(shí)序關(guān)系２。

３．２　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ｍ×ｎ，LCOS的灰度級(jí)２ｕ（一般情況下LCOS的灰度為２５６），LCOS顯示器的刷新頻率ａ Ｈｚ，信號(hào)CP的頻率ｂ　ＭＨｚ等。這些參數(shù)由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送到NIOSⅡ處理器中。根據(jù)這些參數(shù)，由NIOSⅡ計(jì)算得到如下關(guān)系：每一幀的周期為 103/a(ms)；每一行的周期為106a-1　n-1(us);將一行顯示數(shù)據(jù)寫入寄存器的時(shí)間為ｍ／ｂ （μｓ）；每一行的空時(shí)間[106a-1n-1]-[m/b]uｓ），這一項(xiàng)應(yīng)當(dāng)不小于０。依據(jù)計(jì)算后的數(shù)據(jù)和圖２、圖３所示的信號(hào)關(guān)系，使用定時(shí)器和脈寬調(diào)制器（ＰＷＭ）生成LCOS的邏輯控制信號(hào)。同樣在NIOSⅡ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(lái)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２幀數(shù)據(jù)，即２ｍ×ｎ×２u，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)，這樣的策略雖然耗費(fèi)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)。

４　實(shí)例設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，以256×256分辨率、２５６灰度級(jí)的LCOS為例來(lái)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256×256的LCOS，其刷新頻率為２００Ｈｚ，時(shí)鐘信號(hào)ＣＬＫＢ的頻率為２０ＭＨｚ。因此，每一幀的周期為５ｍｓ，每一行的周期為１９．５３μｓ（相當(dāng)于３９１個(gè)ＣＬＫＢ時(shí)鐘周期時(shí)間），將一行顯示數(shù)據(jù)寫入寄存器的時(shí)間為１２．８μｓ（相當(dāng)于２５６個(gè)ＣＬＫＢ時(shí)鐘周期時(shí)間），每一行的空時(shí)間為６．７３μｓ（相當(dāng)于１３５個(gè)ＣＬＫＢ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０，則要提高時(shí)鐘信號(hào)ＣＬＫＢ的頻率。

接下來(lái)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２幀數(shù)據(jù)，即２×256×256×２５６就能裝下完整的２幀數(shù)據(jù)，但為了便于CPＵ還可以完成其他計(jì)算的需要，內(nèi)存的設(shè)計(jì)要比２幀數(shù)據(jù)大一些，這里?。硯瑪?shù)據(jù)容量，同時(shí)設(shè)定固定的區(qū)域?yàn)轱@示緩沖區(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(guò)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NIOSⅡ處理器的Ｉ／Ｏ 映射地址，通過(guò)DMA處理，使NIOSⅡ內(nèi)存的顯示緩沖區(qū)以DMA的方式通過(guò)ＡＨＢ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(jiǎn)便快速，傳輸又很穩(wěn)定。

在ＱｕａｒｔｕｓⅡ６．０環(huán)境下對(duì)NIOSⅡ控制器進(jìn)行功能仿真測(cè)試，仿真的波形如圖４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(guò)綜合生成門級(jí)網(wǎng)表，下載到ALTERA公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８器件中。

NIOSⅡ控制器的功能仿真波形

圖４　NIOSⅡ控制器的功能仿真波形。

５　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最大限度地降低材料成本和設(shè)計(jì)成本，并且可以根據(jù)應(yīng)用的需要，通過(guò)發(fā)送不同的參數(shù)適應(yīng)于不同的LCOS顯示器。由于采用軟核處理器，系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差一些，并且PDIUSBD12的速度僅為１２ＭＢ／ｓ。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以使用ＡＲＭ９ 處理器；為了發(fā)揮USB２．０ 的全速４８０ ＭＢ／ｓ，可以使用新一代ＣＨ３７５USB控制器。這樣就可以使LCOS通用控制器擁有更優(yōu)秀的性能。