基于FPGA的LCoS驅(qū)動(dòng)和圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)分辨率為1 024×768的LCoS屏編寫(xiě)了Verilog HDL驅(qū)動(dòng)代碼，在quartusⅡ9．1平臺(tái)上綜合編譯，并在Altera的FPGA芯片EP3C5E14 4C8上進(jìn)行了功能驗(yàn)證和實(shí)際輸出信號(hào)測(cè)量。采用異步FIFO結(jié)構(gòu)解決了跨異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。嵌入FFT IP核后，可進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行基于FFT的變換處理，分析圖像的頻譜。為計(jì)算全息3D圖像處理及顯示提供了硬件平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：Verilog HDL；LCoS；異步FIFO；FFT

0 引言
    基于空間光調(diào)制器的計(jì)算全息三維顯示技術(shù)，目前常采用透射式LCD和反射式LCoS作為空間光調(diào)制器，以改變光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器(SLM)后的空間相位和振幅分布，達(dá)到對(duì)光信息的調(diào)制。傳統(tǒng)的基于透射式LCD空間光調(diào)制器的計(jì)算全息三維顯示系統(tǒng)，其成像光路復(fù)雜，而且必須依賴(lài)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)生、采集以及處理，這就限制了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，不便于推廣。
    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cycloneⅢEP3C5E144C8，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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)比較子模塊里加入了FI-FO“將空”和“將滿(mǎn)”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(mǎn)足I2C配置條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，當(dāng)滿(mǎn)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。

1．6 行場(chǎng)時(shí)序控制器模塊
    內(nèi)設(shè)水平計(jì)數(shù)器hcnt和垂直計(jì)數(shù)器vcnt。由于顯示屏每個(gè)時(shí)鐘周期鎖存8個(gè)像素值，所以顯示1 024個(gè)像素值所需行周期為128個(gè)Tclk(行時(shí)鐘周期)。當(dāng)hcnt計(jì)數(shù)器值為HBP時(shí)表示行有效顯示區(qū)域開(kāi)始，hcnt計(jì)數(shù)器值為HBP+128時(shí)表示行有效顯示區(qū)域結(jié)束，hent計(jì)數(shù)器值為HSYN-Ccycle時(shí)，完成一行顯示，vcnt計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)vcnt計(jì)數(shù)器值為VBP時(shí)，垂直有效顯示區(qū)域開(kāi)始，當(dāng)vcnt計(jì)數(shù)器值為VBP+768時(shí)，垂直有效顯示區(qū)域結(jié)束，當(dāng)vcnt計(jì)數(shù)器值為VSYNC cycle時(shí)，完成一幀圖像顯示。行場(chǎng)時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

1．7 FFT模塊
    FFTV 9．1 IP核采用Cooley-Tukey基-2 DIF算法，其FFT變換原始公式為：
   
    因?yàn)椴捎昧藬?shù)據(jù)流模式，經(jīng)過(guò)變換的數(shù)據(jù)可以連續(xù)輸出，即輸出數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)的輸入而停止數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)輸入數(shù)據(jù)也不會(huì)因?yàn)樘幚砗蟮臄?shù)據(jù)正在輸出而停止繼續(xù)輸入，保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪B續(xù)性，提高了數(shù)據(jù)處理的速度和效率。因?yàn)镕FT通過(guò)異步FIFO向屏幕輸出數(shù)據(jù)，而FIFO的讀數(shù)據(jù)是寫(xiě)數(shù)據(jù)的4倍速，假如讀時(shí)鐘和寫(xiě)時(shí)鐘都為100 MHz，那么有可能會(huì)在某一行里出現(xiàn)FIFO被取空，而無(wú)法向屏幕輸出有效數(shù)據(jù)的情況。為保證FIFO向屏幕輸出圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)性，就要充分利用VBP，VFP，HBP和HFP的時(shí)間，在每一行的開(kāi)始，如果FIFO沒(méi)滿(mǎn)，那么啟動(dòng)FFT進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。若圖像的分辨率為M×N并且在VBP期間FIFO已被寫(xiě)滿(mǎn)，則FIFO，F(xiàn)FT核、行場(chǎng)周期以及圖像分辨率間關(guān)系的計(jì)算公式如下：
   
    式中：Deepth是異步FIFO的數(shù)據(jù)深度，單位為B；THSYNC cycle是行周期；Tclk是異步FIFO，F(xiàn)FT核、行場(chǎng)時(shí)序控制器模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期。當(dāng)△>O時(shí)，系統(tǒng)會(huì)連續(xù)實(shí)時(shí)地處理圖像；當(dāng)△<O時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在屏幕某些行的有效顯示區(qū)域沒(méi)有有效圖像數(shù)據(jù)可供顯示；這樣就破壞了圖像顯示的連續(xù)性?？筛鶕?jù)以上公式合理設(shè)計(jì)FIFO深度以及選取合適分辨率的圖像。該設(shè)計(jì)中，異步。FIFO，F(xiàn)FT核、行場(chǎng)時(shí)序控制器模塊的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為100 MHz，F(xiàn)IFO深度為256 B，行周期為336個(gè)Tclk，M為174，N為144，經(jīng)計(jì)算△>0。

2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果分析
    圖4是采用Modelsim 6．5b進(jìn)行功能仿真的結(jié)果。利用QuartusⅡV9．1自帶的TimeQuest Timing Analyzer進(jìn)行時(shí)序約束后，在實(shí)驗(yàn)板上的場(chǎng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果如圖5所示，場(chǎng)掃描頻率已達(dá)到368 Hz，經(jīng)測(cè)量其他引腳輸出信號(hào)也均滿(mǎn)足時(shí)序要求。由于FPGA器件資源限制，對(duì)圖像做了256點(diǎn)FFT變換，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)處理，代碼達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

3 結(jié)語(yǔ)
    采用Himax的LCoS屏HX7308BTJFA作為顯示器件，其尺寸為14．43mm×10．69mm，大小可跟1枚1元硬幣相比擬，很容易實(shí)現(xiàn)三維投影微顯示。因VerilogHDL有很強(qiáng)的可移植性，便于以后對(duì)代碼的升級(jí)和維護(hù)。FPGA內(nèi)部資源畢竟有限，文中敘述可知，若顯示分辨率較大的圖像，光靠?jī)?nèi)部資源實(shí)現(xiàn)異步FIFO是不可能的，所以在此提出兩種方案：第一，換一片性能較高的芯片，滿(mǎn)足寫(xiě)FIFO速率等于讀FIFO速率的要求，這樣就能達(dá)到讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)平衡，保證了圖像的連續(xù)顯示；第二，采用外部存儲(chǔ)器SDRAM存儲(chǔ)源圖像和FFT處理后的數(shù)據(jù)，采用DDRII技術(shù)讀取數(shù)據(jù)，使讀／寫(xiě)FIFO的速率匹配。受FPGA芯片資源限制，該設(shè)計(jì)采用分辨率為176×144的圖像進(jìn)行了系統(tǒng)功能驗(yàn)證，尚未實(shí)現(xiàn)圖像濾波以及FFT逆變換，未來(lái)可將代碼移植在高端的FPGA芯片上繼續(xù)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理功能。