摘　要：通過在現(xiàn)場可編程門陣列器件中構(gòu)建軟核處理器（NIOSⅡ）來代替專用集成電路，并在NIOSⅡ中嵌入Ｃ程序，根據(jù)給定的規(guī)模，自動實現(xiàn)了在不同規(guī)模下的各種設(shè)計參數(shù)的計算。實現(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，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)在眼底觀測方向的使用，傳統(tǒng)變形鏡校正器顯露出其固有的缺點，由于受校正單元少的限制，變形鏡校正器很難對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始在眼底觀測領(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，成為目前的最佳選擇。作為LCOS驅(qū)動電路的核心———為液晶模塊（LCM）提供顯示數(shù)據(jù)和時序信號的LCOS控制器通常都是由專用集成電路（ASIC）組成。在實際工程應(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)計和使用都比較繁瑣。

本設(shè)計采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件來代替ASIC，利用可編程片上系統(tǒng)（SOPC）實現(xiàn)通用LCOS顯示控制器的設(shè)計。在使用中只需通過對軟件參數(shù)進行修改，即可完成對不同分辨率 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)的實時性，采用USB２．０協(xié)議進行數(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＋＋語言設(shè)計了USB驅(qū)動程序和固件程序，利用ＶＨＤＬ硬件描述語言設(shè)計了通用LCOS控制器并在實際應(yīng)用中通過測試，基本上實現(xiàn)了通用LCOS控制器的預(yù)期目標。

２　系統(tǒng)原理

LCOS的顯示采用逐行掃描方式，即當一行被選通以后，這一行中的各列信號同時加到列上，并維持一個掃描行的時間，當這一時間結(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器和控制器組成，由一塊MCU 接收上位機發(fā)送過來的顯示數(shù)據(jù)，并由該MCU分配存儲地址，生成時序信號，把數(shù)據(jù)存入存儲器中，而后由液晶顯示模塊讀取存儲器中的數(shù)據(jù)。存儲器的存取速度較慢，在讀寫大批量數(shù)據(jù)時很費時，很難匹配LCOS的響應(yīng)速度，并且當更換不同分辨率的LCOS顯示模塊后還需要有新的控制器，存在成本太高且過程煩瑣的缺點。

有鑒于此，本文提出了基于SOPC 設(shè)計LCOS控制器的思路，即在FPGA 內(nèi)構(gòu)建一個NIOSⅡ軟核處理器和SRAM 存儲器，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與上位機以串口的方式連接，通過設(shè)置LCOS參數(shù)和存儲器規(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DMA方式節(jié)省傳輸時間；通過把SRAM 映射到顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)節(jié)省存儲器的存取時間。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

３．１　系統(tǒng)引腳信號時序分析

一般來說，LCM 引腳都具有如表１所示的功能描述。

表１　LCM 引腳信號功能

LCM 引腳信號功能

每個CP移位脈沖信號都是通過一系列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)為一個行周期。當一幀圖像的最后一行顯示數(shù)據(jù)存入移位寄存器后，ＦＬＭ 幀掃描信號變成高電平，其脈寬維持超過一個LP脈寬。因此ＦＬＭ 的周期應(yīng)為一幀圖像的時間，即各行LP的周期和。Ｍ 是液晶顯示模塊的交流驅(qū)動信號，每一幀時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。更為詳細的引腳信號時序關(guān)系如圖２和圖３所示。

引腳信號的時序關(guān)系１

圖２　引腳信號的時序關(guān)系１。

圖３　引腳信號的時序關(guān)系２。

３．２　參數(shù)確定

在設(shè)計通用分辨率的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CP的頻率ｂ?。停龋?。這些參數(shù)由上位機通過串口發(fā)送到NIOSⅡ處理器中。根據(jù)這些參數(shù)，由NIOSⅡ計算得到如下關(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)寫入寄存器的時間為ｍ／ｂ （μｓ）；每一行的空時間[106a-1n-1]-[m/b]uｓ），這一項應(yīng)當不小于０。依據(jù)計算后的數(shù)據(jù)和圖２、圖３所示的信號關(guān)系，使用定時器和脈寬調(diào)制器（ＰＷＭ）生成LCOS的邏輯控制信號。同樣在NIOSⅡ中還要完成SRAM 內(nèi)存的設(shè)計，內(nèi)存的實現(xiàn)是依靠FPGA 中的邏輯門陣列來實現(xiàn)的。設(shè)計所遵循的原則是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)存儲區(qū)用于當前顯示，另一幀數(shù)據(jù)存儲區(qū)同時接收下一幀要顯示的數(shù)據(jù)，這樣的策略雖然耗費了大量的邏輯門數(shù)量，卻可以使低速的存儲器和高速的LCOS顯示器相匹配，同時更好地發(fā)揮USB的速度優(yōu)勢。

４　實例設(shè)計

在實際應(yīng)用中，以256×256分辨率、２５６灰度級的LCOS為例來設(shè)計LCOS控制器。

首先根據(jù)已有的LCOS計算各種參數(shù)。對于256×256的LCOS，其刷新頻率為２００Ｈｚ，時鐘信號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（相當于３９１個ＣＬＫＢ時鐘周期時間），將一行顯示數(shù)據(jù)寫入寄存器的時間為１２．８μｓ（相當于２５６個ＣＬＫＢ時鐘周期時間），每一行的空時間為６．７３μｓ（相當于１３５個ＣＬＫＢ時鐘周期時間）。如果設(shè)計時發(fā)現(xiàn)每一行的空時間小于０，則要提高時鐘信號ＣＬＫＢ的頻率。

接下來是設(shè)計SRAM 存儲器，SRAM 容量的設(shè)計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還可以完成其他計算的需要，內(nèi)存的設(shè)計要比２幀數(shù)據(jù)大一些，這里?。硯瑪?shù)據(jù)容量，同時設(shè)定固定的區(qū)域為顯示緩沖區(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USB端口輸入的待顯示數(shù)據(jù)直接存儲在顯示緩沖區(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DMA處理，使NIOSⅡ內(nèi)存的顯示緩沖區(qū)以DMA的方式通過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便快速，傳輸又很穩(wěn)定。

在ＱｕａｒｔｕｓⅡ６．０環(huán)境下對NIOSⅡ控制器進行功能仿真測試，仿真的波形如圖４所示。該控制器的時序信號符合設(shè)計要求。完成功能仿真后，經(jīng)過綜合生成門級網(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)計了一種LCOS通用控制器。通常LCOS的價格較高且不能通用，利用本文的方法可以最大限度地降低材料成本和設(shè)計成本，并且可以根據(jù)應(yīng)用的需要，通過發(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。