基于SOPC适用于不同规格LCOS的控制器设计

   摘　要：通过在现场可编程门阵列器件中构建软核处理器（NIOSⅡ）来代替专用集成电路，并在NIOSⅡ中嵌入Ｃ程序，根据给定的规模，自动实现了在不同规模下的各种设计参数的计算。实现了只需要输入系统参数，就能适用于不同规模LCOS控制器的设计，并且结合USB芯片和特定的程序流程，提高了LCOS控制器的适用性和可靠性，降低了器件的成本。

１　引　　言

校正器作为自适应光学系统的核心部件，在很大程度上决定着自适应技术发展的方向。目前在自适应光学系统使用较多的是变形镜校正器。

随着自适应技术在眼底观测方向的使用，传统变形镜校正器显露出其固有的缺点，由于受校正单元少的限制，变形镜校正器很难对存在高阶像差的眼底成像。因此，校正单元多的液晶校正器开始在眼底观测领域广泛使用。与玻璃基板液晶显示器相比，采用硅基板的液晶显示器（LCOS）由于具有尺寸小、分辨率高、光效利用率高等优点，成为目前的最佳选择。作为LCOS驱动电路的核心———为液晶模块（LCM）提供显示数据和时序信号的LCOS控制器通常都是由专用集成电路（ASIC）组成。在实际工程应用中，需要各种分辨率的LCOS，由于每一种LCOS都需要专门的显示控制器，因此LCOS的设计和使用都比较繁琐。

本设计采用现场可编程门阵列（FPGA）器件来代替ASIC，利用可编程片上系统（SOPC）实现通用LCOS显示控制器的设计。在使用中只需通过对软件参数进行修改，即可完成对不同分辨率 LCOS的控制。由于液晶自适应系统需要传输的数据量很大，所以为了保证系统的实时性，采用USB２．０协议进行数据传输。本文使用了NXP公司的PDIUSBD12的USB芯片、ALTERA公司的ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８器件，采用Ｃ＋＋语言设计了USB驱动程序和固件程序，利用ＶＨＤＬ硬件描述语言设计了通用LCOS控制器并在实际应用中通过测试，基本上实现了通用LCOS控制器的预期目标。

２　系统原理

LCOS的显示采用逐行扫描方式，即当一行被选通以后，这一行中的各列信号同时加到列上，并维持一个扫描行的时间，当这一时间结束后选通下一行，各列电极施加下一行的显示电压。

目前普通的液晶控制器都是由存储器和控制器组成，由一块MCU 接收上位机发送过来的显示数据，并由该MCU分配存储地址，生成时序信号，把数据存入存储器中，而后由液晶显示模块读取存储器中的数据。存储器的存取速度较慢，在读写大批量数据时很费时，很难匹配LCOS的响应速度，并且当更换不同分辨率的LCOS显示模块后还需要有新的控制器，存在成本太高且过程烦琐的缺点。

有鉴于此，本文提出了基于SOPC 设计LCOS控制器的思路，即在FPGA 内构建一个NIOSⅡ软核处理器和SRAM 存储器，把SRAM映射到LCOS显示模块的数据缓冲区，将NIOSⅡ与PDIUSBD12以DMA 的方式连接，将NIOSⅡ与上位机以串口的方式连接，通过设置LCOS参数和存储器规模参数在内的各种参数，适应不同分辨率的LCOS；通过DMA方式节省传输时间；通过把SRAM 映射到显示数据缓冲区节省存储器的存取时间。如图１所示。

LCOS系统原理图

图１　LCOS系统原理图。

３　系统设计

３．１　系统引脚信号时序分析

一般来说，LCM 引脚都具有如表１所示的功能描述。

表１　LCM 引脚信号功能

LCM 引脚信号功能

每个CP移位脉冲信号都是通过一系列CP脉冲，把完整的一行显示数据（Ｄ０～Ｄ７）存入移位寄存器中。移位寄存器与锁存器并口相接，当完整的一行显示数据被存入移位寄存器后，在锁存信号LP的作用下，该行数据被锁存到锁存器内，并输出给列电极。因此LP的周期应为一个行周期。当一帧图像的最后一行显示数据存入移位寄存器后，ＦＬＭ 帧扫描信号变成高电平，其脉宽维持超过一个LP脉宽。因此ＦＬＭ 的周期应为一帧图像的时间，即各行LP的周期和。Ｍ 是液晶显示模块的交流驱动信号，每一帧时间改变一次波形的极性，可以防止液晶显示的单方向扭曲变形。更为详细的引脚信号时序关系如图２和图３所示。

引脚信号的时序关系１

图２　引脚信号的时序关系１。

图３　引脚信号的时序关系２。

３．２　参数确定

在设计通用分辨率的LCOS控制器之前，先要确定某些参数。这些参数包括LCOS的分辨率ｍ×ｎ，LCOS的灰度级２ｕ（一般情况下LCOS的灰度为２５６），LCOS显示器的刷新频率ａ Ｈｚ，信号CP的频率ｂ　ＭＨｚ等。这些参数由上位机通过串口发送到NIOSⅡ处理器中。根据这些参数，由NIOSⅡ计算得到如下关系：每一帧的周期为 103/a(ms)；每一行的周期为106a-1　n-1(us);将一行显示数据写入寄存器的时间为ｍ／ｂ （μｓ）；每一行的空时间[106a-1n-1]-[m/b]uｓ），这一项应当不小于０。依据计算后的数据和图２、图３所示的信号关系，使用定时器和脉宽调制器（ＰＷＭ）生成LCOS的逻辑控制信号。同样在NIOSⅡ中还要完成SRAM 内存的设计，内存的实现是依靠FPGA 中的逻辑门阵列来实现的。设计所遵循的原则是SRAM 的容量能至少装下完整的２帧数据，即２ｍ×ｎ×２u，一帧数据存储区用于当前显示，另一帧数据存储区同时接收下一帧要显示的数据，这样的策略虽然耗费了大量的逻辑门数量，却可以使低速的存储器和高速的LCOS显示器相匹配，同时更好地发挥USB的速度优势。

４　实例设计

在实际应用中，以256×256分辨率、２５６灰度级的LCOS为例来设计LCOS控制器。

首先根据已有的LCOS计算各种参数。对于256×256的LCOS，其刷新频率为２００Ｈｚ，时钟信号ＣＬＫＢ的频率为２０ＭＨｚ。因此，每一帧的周期为５ｍｓ，每一行的周期为１９．５３μｓ（相当于３９１个ＣＬＫＢ时钟周期时间），将一行显示数据写入寄存器的时间为１２．８μｓ（相当于２５６个ＣＬＫＢ时钟周期时间），每一行的空时间为６．７３μｓ（相当于１３５个ＣＬＫＢ时钟周期时间）。如果设计时发现每一行的空时间小于０，则要提高时钟信号ＣＬＫＢ的频率。

接下来是设计SRAM 存储器，SRAM 容量的设计原则是能装下完整的２帧数据，即２×256×256×２５６就能装下完整的２帧数据，但为了便于CPＵ还可以完成其他计算的需要，内存的设计要比２帧数据大一些，这里取３帧数据容量，同时设定固定的区域为显示缓冲区。

将USB的数据输入缓冲区同样设在该显示缓冲区域，这样通过USB端口输入的待显示数据直接存储在显示缓冲区域。

然后是将外部的LCOS显示器的数据输入端口作为NIOSⅡ处理器的Ｉ／Ｏ 映射地址，通过DMA处理，使NIOSⅡ内存的显示缓冲区以DMA的方式通过ＡＨＢ总线与LCOS显示器的数据输入端口直接输入。使用DMA和总线的好处是既简便快速，传输又很稳定。

在ＱｕａｒｔｕｓⅡ６．０环境下对NIOSⅡ控制器进行功能仿真测试，仿真的波形如图４所示。该控制器的时序信号符合设计要求。完成功能仿真后，经过综合生成门级网表，下载到ALTERA公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列ＥＰ１Ｃ６Ｑ２４０Ｃ８器件中。

NIOSⅡ控制器的功能仿真波形

图４　NIOSⅡ控制器的功能仿真波形。

５　结　　论

利用SOPC和USB设计了一种LCOS通用控制器。通常LCOS的价格较高且不能通用，利用本文的方法可以最大限度地降低材料成本和设计成本，并且可以根据应用的需要，通过发送不同的参数适应于不同的LCOS显示器。由于采用软核处理器，系统的稳定性稍差一些，并且PDIUSBD12的速度仅为１２ＭＢ／ｓ。为了提高系统的稳定性，可以使用ＡＲＭ９ 处理器；为了发挥USB２．０ 的全速４８０ ＭＢ／ｓ，可以使用新一代ＣＨ３７５USB控制器。这样就可以使LCOS通用控制器拥有更优秀的性能。