FPGA技術在微型投影儀中設計中的應用分析介紹

目前，由于微型投影儀的價格昂貴，因此難以在各行業(yè)中普遍使用，但隨著價格的下降，使用微型投影儀的消費類應用將會大量涌現(xiàn)，并且它將成為便捷、中等分辨率圖像顯示所普遍使用的顯示技術。FPGA器件是唯一能將其從面向高價的應用設備，轉變?yōu)槊嫦驅τ诔杀靖用舾械南M類產(chǎn)品的器件。

圖1：微型投影儀使用示例。

根據(jù)最近的預測估計，2009年微型投影儀的出貨量為50萬，2011年的出貨量將是2009年的十幾倍。200多家公司正在開發(fā)更高質量和更低成本的微型投影儀產(chǎn)品。

目前的微型投影儀技術

目前，微型投影儀系統(tǒng)中使用的幾種技術各有優(yōu)缺點。其中最常用的四種是：數(shù)碼光源投影（DLP）、硅基液晶（LQoS）、激光束偏轉控制和全息激光投影（HLP）。

DLP使用光源和微反射鏡來反射光。每個微反射鏡控制目標圖像中每個像素上光的亮度。鏡子有兩種狀態(tài)，開和關，并不斷刷新。亮度通過調節(jié)鏡子的狀態(tài)來控制。如果微反射鏡關閉50%的時間，那么像素的顯示亮度為50%.色彩是通過使用光源和反射鏡之間的色輪將光過濾成紅色/綠色/藍色來形成，每個微反射鏡同時控制三種顏色的光束來形成其像素。

LCoS投影儀采用類似DLP的方法，但它使用液晶硅而不是鏡子來控制每個像素上光的亮度。采用三片不同的芯片，每片一種顏色（紅/綠/藍）來生成彩色圖像。光束直接通過濾光器或使用分色鏡（只允許特定波長的光線通過的鏡片）。光源可以是LED或散射的激光。

LBS投影儀一次生成圖像的一個像素。它使用了三個不同的激光束（紅/綠/藍），每一個以要求的亮度顯示。光學器件使用鏡子控制每個光束，并將三個激光束合并來生成彩色圖像。通過以足夠快的速度（通常在60Hz以上）掃描圖像，眼睛不會注意到圖像中的每個像素是依次生成的。

HLP系統(tǒng)將激光照射到全息圖像上，通過激光衍射形成原始的圖像。計算出所期望得到的二維圖像的衍射圖像，顯示在一個LCoS微型顯示器上。當在相干激光的照射下，就可以投射出所期望的二維圖像，并在任何距離下保持聚焦。

微型投影儀的類型

目前有三種主流的微型投影儀：獨立式、媒體播放器式和嵌入式。

·獨立式投影儀：這些設備基本上是傳統(tǒng)的投影儀。它們通過電纜（A/V、USB等）接收輸入數(shù)據(jù)，并且除非使用另一個設備來生成視頻信號流，否則無法顯示任何內容。

·媒體播放器式：這些設備是帶有板上存儲器或存儲卡插槽的投影儀，并能直接播放存儲器中的文件。投影儀必須支持存儲器中的文件類型--照片、視頻或音頻文件。有些投影儀甚至支持Office文檔、PDF和其他文件類型。

·嵌入式投影儀：這些設備將投影儀添加到現(xiàn)有的設備（或作為附件），為LCD顯示提供一種替代選擇（或補充）?？捎糜?a target="_blank">手機、相機、筆記本、數(shù)碼相框和PDA等應用。

之前所介紹的每種技術，在實現(xiàn)三種主流的微型投影儀中的某一種時，都各有優(yōu)缺點。例如，就媒體播放器式而言，分辨率和響應時間是非常重要的。對于嵌入式投影儀而言，大小和低功耗是非常重要的。表1中列出了每一種投影儀技術的優(yōu)缺點。

表1：微型投影儀技術比較表。

隨著設備集成的發(fā)展潮流，許多微型投影儀將首先用作一些現(xiàn)有設備的附件。例如用作數(shù)碼相機的附件，它可以像轉換器那樣直接插入相機，來顯示靜止的圖片、幻燈片或視頻。這類示例設計的系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)中的光引擎（光學器件和一個接口電路）部分如圖頂部所示，控制器如圖底部所示。一個標準的7:1 LVDS（相機連接）接口用于從控制器傳輸圖像數(shù)據(jù)到光引擎（雖然這不是現(xiàn)在的一個標準接口，但隨著光引擎價格的下降，如相機連接這樣的接口將會成為一種可能的選擇，那么它就可以用于我們目標設計中的光引擎）。

圖2：數(shù)碼相機附件中的微型投影儀設計示例。

下面圖3顯示了LatticeECP3 FPGA的詳細信息，與算術處理相結合來處理用以顯示的圖片像素，同時管理系統(tǒng)中的各種接口。一個LatticeMico8微控制器控制數(shù)據(jù)流和來自用戶接口的各種指令。它通過Wishbone系統(tǒng)總線和FPGA的其他功能進行通信。DDR2存儲器控制器提供接口到外部DDR2存儲器，并且有兩個端口--一個來自Wishbone總線（用于通用的系統(tǒng)控制功能，以及當圖像數(shù)據(jù)是通過DVI/HDMI接口進行接收時），另一個來自JPEG解碼器和像素處理器（用于高優(yōu)先級的圖像處理功能）。SPI存儲器控制器接口到非易失性存儲器，其中存儲了大量的圖像處理表和代碼。攝像機中的圖像數(shù)據(jù)，通過JPEG格式編碼，經(jīng)DVI/HDMI接口存儲到DDR2存儲器。JPEG解碼器將JPEG編碼的圖像數(shù)據(jù)轉換為投影儀光學器件中所需的獨立的紅、綠和藍色像素數(shù)據(jù)。這個像素數(shù)據(jù)還可以通過像素處理器和其他定制化的算法來進行處理，以改進圖像質量。一旦像素數(shù)據(jù)可以發(fā)送到光學器件，7:1 LVDS視頻接口對像素數(shù)據(jù)進行分包，并通過標準的視頻協(xié)議將它傳輸?shù)焦鈱W器件接口。USB接口連到外部USB 2.0/3.0物理層。通用IO塊控制外部的電源管理、用戶接口（按鈕和開關）以及配置控制功能。許多這些重要的功能塊已經(jīng)有現(xiàn)成的IP核，可從FPGA制造商或他們的合作伙伴處獲得，并使得設計師們能專注于設計中增值功能部分的設計。

圖3：微型投影儀FPGA控制器框圖示例。

利用FPGA的功能

FPGA為設計帶來的幾個關鍵功能，將有助于擴大這些小型投影儀的市場。鑒于市場的高速增長，客戶可能會有意想不到的功能變化需求。隨著市場的發(fā)展，競爭的壓力也將越來越大，要求企業(yè)具有更短的市場反應時間和更快的技術更新速度。FPGA為這類市場提供了一大優(yōu)勢，即使在購買器件后，客戶仍可以輕松地實現(xiàn)功能特性的更改。可下載的更新可以改善現(xiàn)有的功能，以應對競爭，并迅速適應不斷變化的接口需求。此外，圖像處理算法可以改進，根據(jù)客戶的反饋或新的研究，迅速更新到已經(jīng)在客戶手中的設備。

在基于激光的系統(tǒng)中，去光斑算法就是利用圖像處理算法修改功能的一個很好的示例。激光光斑使圖像上“產(chǎn)生光斑”，當相干光從粗糙的投影儀表面散射出來，然后會在人的視網(wǎng)膜上產(chǎn)生干擾。減少光斑是一個很重要的功能，因為用戶會因此而分散注意力，這將影響用戶視覺接收到的圖像質量，并降低有效分辨率。各種用于減少光斑的算法，可能要改變激光調制頻率中的控制參數(shù)（以改變光的相干性），改變每幅圖像像素的亮度，或使用類似于傳統(tǒng)顯示器中使用的圖形保真的算法。隨著新方法的研究，這些算法很可能會有新的突破，那些能適應各種可能的修改的設計，比如那些基于FPGA的設計，將獲得競爭上的優(yōu)勢。

現(xiàn)代FPGA，如LatticeECP3，提供了多種先進的硬件功能，有利于微型投影儀的設計。數(shù)字信號處理（DSP）功能可用于實現(xiàn)復雜的圖像處理算法，如色彩空間的轉換和JPEG編碼/解碼，以及更通用的DSP算法，如FFT和過濾器。專用的片上存儲器塊可用作圖像緩沖器、FIFO緩沖器和嵌入式處理器的數(shù)據(jù)或代碼的存儲。高速SERDES塊可用于實現(xiàn)常用的串行視頻接口，如DVI、HDMI、DisplayPort和基于7:1 LVDS的標準，如CameraLink或ChannelLink，以及計算機接口，如PCI-Express、串行Rapid I/O和以太網(wǎng)（GbE、XAUI和SGMII等）。

對于快速增長的市場來說，也許FPGA最引人注目的優(yōu)勢就是它可以實現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時間。在快速增長的市場中，較之ASIC實現(xiàn)，F(xiàn)PGA有其明顯的優(yōu)勢，其開發(fā)和部署周期時間可以縮短為幾周而不再是幾個月，從而決定了產(chǎn)品的成敗。在可預見的一段時間內，ASIC可能仍然是現(xiàn)有、大批量市場的一種可行的設計技術選擇，但是FPGA在當今快速成長和不斷發(fā)展的市場中將會有更大的用武之地。

FPGA制造商已經(jīng)加大了在細分市場開發(fā)套件上的投入，其中FPGA和外設器件與針對特定市場的IP核相結合，為設計師提供了一個開發(fā)差異化設計的良好起點。在許多情況下，電路板上已經(jīng)提供了應用所需的所有外部組件和接口，以及驅動程序和操作系統(tǒng)，可以進行快速部署。這些套件進一步增強了FPGA與基于ASIC的設計相比，在產(chǎn)品上市時間上的優(yōu)勢。