FPGA在微型投影儀中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

大小的便攜式視頻

圖1：微型投影儀使用示例。

目前，由于微型投影儀的價(jià)格昂貴，因此難以在各行業(yè)中普遍使用，但隨著價(jià)格的下降，使用微型投影儀的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用將會(huì)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(shù)。FPGA器件是唯一能將其從面向高價(jià)的應(yīng)用設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驅(qū)τ诔杀靖用舾械南M(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的器件。

根據(jù)最近的預(yù)測(cè)估計(jì)，2009年微型投影儀的出貨量為50萬(wàn)，2011年的出貨量將是2009年的十幾倍。200多家公司正在開(kāi)發(fā)更高質(zhì)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(shù)

目前，微型投影儀系統(tǒng)中使用的幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(zhuǎn)控制和全息激光投影(HLP)。

DLP使用光源和微反射鏡來(lái)反射光。每個(gè)微反射鏡控制目標(biāo)圖像中每個(gè)像素上光的亮度。鏡子有兩種狀態(tài)，開(kāi)和關(guān)，并不斷刷新。亮度通過(guò)調(diào)節(jié)鏡子的狀態(tài)來(lái)控制。如果微反射鏡關(guān)閉50%的時(shí)間，那么像素的顯示亮度為50%。色彩是通過(guò)使用光源和反射鏡之間的色輪將光過(guò)濾成紅色/綠色/藍(lán)色來(lái)形成，每個(gè)微反射鏡同時(shí)控制三種顏色的光束來(lái)形成其像素。

LCoS投影儀采用類(lèi)似DLP的方法，但它使用液晶硅而不是鏡子來(lái)控制每個(gè)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(lán))來(lái)生成彩色圖像。光束直接通過(guò)濾光器或使用分色鏡(只允許特定波長(zhǎng)的光線通過(guò)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(gè)像素。它使用了三個(gè)不同的激光束(紅/綠/藍(lán))，每一個(gè)以要求的亮度顯示。光學(xué)器件使用鏡子控制每個(gè)光束，并將三個(gè)激光束合并來(lái)生成彩色圖像。通過(guò)以足夠快的速度(通常在60Hz以上)掃描圖像，眼睛不會(huì)注意到圖像中的每個(gè)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(guò)激光衍射形成原始的圖像。計(jì)算出所期望得到的二維圖像的衍射圖像，顯示在一個(gè)LCoS微型顯示器上。當(dāng)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(lèi)型

目前有三種主流的微型投影儀：獨(dú)立式、媒體播放器式和嵌入式。

·獨(dú)立式投影儀：這些設(shè)備基本上是傳統(tǒng)的投影儀。它們通過(guò)電纜(A/V、USB等)接收輸入數(shù)據(jù)，并且除非使用另一個(gè)設(shè)備來(lái)生成視頻信號(hào)流，否則無(wú)法顯示任何內(nèi)容。

·媒體播放器式：這些設(shè)備是帶有板上存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡插槽的投影儀，并能直接播放存儲(chǔ)器中的文件。投影儀必須支持存儲(chǔ)器中的文件類(lèi)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(lèi)型。

·

·嵌入式投影儀：這些設(shè)備將投影儀添加到現(xiàn)有的設(shè)備(或作為附件)，為L(zhǎng)CD顯示提供一種替代選擇(或補(bǔ)充)。可用于手機(jī)、相機(jī)、筆記本、數(shù)碼相框和PDA等應(yīng)用。

之前所介紹的每種技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)三種主流的微型投影儀中的某一種時(shí)，都各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，就媒體播放器式而言，分辨率和響應(yīng)時(shí)間是非常重要的。對(duì)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(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1：微型投影儀技術(shù)比較表。

隨著設(shè)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(shè)備的附件。例如用作數(shù)碼相機(jī)的附件，它可以像轉(zhuǎn)換器那樣直接插入相機(jī)，來(lái)顯示靜止的圖片、幻燈片或視頻。這類(lèi)示例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)中的光引擎(光學(xué)器件和一個(gè)接口電路)部分如圖頂部所示，控制器如圖底部所示。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的7:1 LVDS(相機(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，但隨著光引擎價(jià)格的下降，如相機(jī)連接這樣的接口將會(huì)成為一種可能的選擇，那么它就可以用于我們目標(biāo)設(shè)計(jì)中的光引擎)。

圖2：數(shù)碼相機(jī)附件中的微型投影儀設(shè)計(jì)示例。[!--empirenews.page--]
 

下面圖3顯示了LatticeECP3 FPGA的詳細(xì)信息，與算術(shù)處理相結(jié)合來(lái)處理用以顯示的圖片像素，同時(shí)管理系統(tǒng)中的各種接口。一個(gè)LatticeMico8微控制器控制數(shù)據(jù)流和來(lái)自用戶(hù)接口的各種指令。它通過(guò)Wishbone系統(tǒng)總線和FPGA的其他功能進(jìn)行通信。DDR2存儲(chǔ)器控制器提供接口到外部DDR2存儲(chǔ)器，并且有兩個(gè)端口——一個(gè)來(lái)自Wishbone總線(用于通用的系統(tǒng)控制功能，以及當(dāng)圖像數(shù)據(jù)是通過(guò)DVI/HDMI接口進(jìn)行接收時(shí))，另一個(gè)來(lái)自JPEG解碼器和像素處理器(用于高優(yōu)先級(jí)的圖像處理功能)。SPI存儲(chǔ)器控制器接口到非易失性存儲(chǔ)器，其中存儲(chǔ)了大量的圖像處理表和代碼。攝像機(jī)中的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)JPEG格式編碼，經(jīng)DVI/HDMI接口存儲(chǔ)到DDR2存儲(chǔ)器。JPEG解碼器將JPEG編碼的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為投影儀光學(xué)器件中所需的獨(dú)立的紅、綠和藍(lán)色像素?cái)?shù)據(jù)。這個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)還可以通過(guò)像素處理器和其他定制化的算法來(lái)進(jìn)行處理，以改進(jìn)圖像質(zhì)量。一旦像素?cái)?shù)據(jù)可以發(fā)送到光學(xué)器件，7:1 LVDS視頻接口對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分包，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的視頻協(xié)議將它傳輸?shù)焦鈱W(xué)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(hù)接口(按鈕和開(kāi)關(guān))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(shè)計(jì)師們能專(zhuān)注于設(shè)計(jì)中增值功能部分的設(shè)計(jì)。

圖3：微型投影儀FPGA控制器框圖示例。

利用FPGA的功能

FPGA為設(shè)計(jì)帶來(lái)的幾個(gè)關(guān)鍵功能，將有助于擴(kuò)大這些小型投影儀的市場(chǎng)。鑒于市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)，客戶(hù)可能會(huì)有意想不到的功能變化需求。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)的壓力也將越來(lái)越大，要求企業(yè)具有更短的市場(chǎng)反應(yīng)時(shí)間和更快的技術(shù)更新速度。FPGA為這類(lèi)市場(chǎng)提供了一大優(yōu)勢(shì)，即使在購(gòu)買(mǎi)器件后，客戶(hù)仍可以輕松地實(shí)現(xiàn)功能特性的更改?？上螺d的更新可以改善現(xiàn)有的功能，以應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)，并迅速適應(yīng)不斷變化的接口需求。此外，圖像處理算法可以改進(jìn)，根據(jù)客戶(hù)的反饋或新的研究，迅速更新到已經(jīng)在客戶(hù)手中的設(shè)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(gè)很好的示例。激光光斑使圖像上“產(chǎn)生光斑”，當(dāng)相干光從粗糙的投影儀表面散射出來(lái)，然后會(huì)在人的視網(wǎng)膜上產(chǎn)生干擾。減少光斑是一個(gè)很重要的功能，因?yàn)橛脩?hù)會(huì)因此而分散注意力，這將影響用戶(hù)視覺(jué)接收到的圖像質(zhì)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(diào)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(lèi)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(huì)有新的突破，那些能適應(yīng)各種可能的修改的設(shè)計(jì)，比如那些基于FPGA的設(shè)計(jì)，將獲得競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代FPGA，如LatticeECP3，提供了多種先進(jìn)的硬件功能，有利于微型投影儀的設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像處理算法，如色彩空間的轉(zhuǎn)換和JPEG編碼/解碼，以及更通用的DSP算法，如FFT和過(guò)濾器。專(zhuān)用的片上存儲(chǔ)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(chǔ)。高速SERDES塊可用于實(shí)現(xiàn)常用的串行視頻接口，如DVI、HDMI、DisplayPort和基于7:1 LVDS的標(biāo)準(zhǔn)，如CameraLink或ChannelLink，以及計(jì)算機(jī)接口，如PCI-Express、串行Rapid I/O和以太網(wǎng)(GbE、XAUI和SGMII等)。

對(duì)于快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，也許FPGA最引人注目的優(yōu)勢(shì)就是它可以實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時(shí)間。在快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)中，較之ASIC實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA有其明顯的優(yōu)勢(shì)，其開(kāi)發(fā)和部署周期時(shí)間可以縮短為幾周而不再是幾個(gè)月，從而決定了產(chǎn)品的成敗。在可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)間內(nèi)，ASIC可能仍然是現(xiàn)有、大批量市場(chǎng)的一種可行的設(shè)計(jì)技術(shù)選擇，但是FPGA在當(dāng)今快速成長(zhǎng)和不斷發(fā)展的市場(chǎng)中將會(huì)有更大的用武之地。

FPGA制造商已經(jīng)加大了在細(xì)分市場(chǎng)開(kāi)發(fā)套件上的投入，其中FPGA和外設(shè)器件與針對(duì)特定市場(chǎng)的IP核相結(jié)合，為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)差異化設(shè)計(jì)的良好起點(diǎn)。在許多情況下，電路板上已經(jīng)提供了應(yīng)用所需的所有外部組件和接口，以及驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)，可以進(jìn)行快速部署。這些套件進(jìn)一步增強(qiáng)了FPGA與基于ASIC的設(shè)計(jì)相比，在產(chǎn)品上市時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)。