基于FPGA的头戴显示器像源驱动及控制技术研究

摘要

头戴显示器(Head Mounted Display,HMD)是一种近眼(Near to Eye,NTE)微型显示装置,应用前景广阔。HMD的像源器件(即微型显示芯片)是整个HMD系统中最重要的组分,现阶段的主流像源“硅基液晶”(Liquid Crystalon Silicon,LCoS)与“有机发光”(Organic Light Emitting Diode,OLED)微显芯片在研发中需克服材料、工艺、电路、光学等诸多方面的困难,有较高的技术门槛,其驱动及控制技术的研究是整个HMD系统中不可或缺的一环,对HMD的性能、功能及使用方式等具有决定性作用,这同时也是开发具有自主知识产权样机的必备基础。本文第一章总体介绍了HMD的含义、发展历程、典型结构、功能构成等内容。第二章和第三章分别介绍了应用于HMD的LCoS微型显示技术和OLED微型显示技术,包括它们的结构与发光原理、彩色化技术、驱动与控制技术等。本文的工作主要集中在第四章到第六章。第四章在前人工作的基础上提出了针对数字式LCoS和模拟式LCoS像源的2种FSC算法,相对于其它公开发表的算法来说,这2种算法可实现8色、64色、4096色、24位真彩色等不同色彩数下的FSC显示,具有更好的色彩适应性,且随后的时钟计算将这2种算法映射到FPGA内的时钟定义层次,具有更好的可执行性和工程实践性。本章内容中的各种时钟计算依据所提出的这2种算法进行,为下面的LCoS芯片逆向工程分析和驱动控制器实际设计奠定了基础。第五章在无法获得目标芯片的引脚功能、严格时序定义和电气特性等技术资料的情况下对已有HMD产品上的某款LCoS芯片进行了逆向工程分析。通过示波器的测定及读数统计,再结合上一章的算法、时序计算结果和第二章对LCoS技术的理解,得出了该芯片20个引脚的功能对应关系和基本时序特性。第六章针对HMD的LCoS像源的驱动控制器进行了设计,本章工作以第四章和第五章内容为基础,限于篇幅起见,主要围绕控制驱动器的核心部分――FPGA逻辑控制器的设计进行阐述。设计中采用了Xilinx Spartan3xc3s1000-5fg320型FPGA芯片,采用了Xilinx ISE7.1i作为集成开发环境(IDE)、Model Sim6.0SE作为仿真工具、SynplifyPro8.1作为综合工具,设计输入为Verilog HDL语言。本章首先提出了设计目标并描述了系统的总体结构,然后将系统划为6个子系统分别

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 HMD 定义及发展简介

1.2 HMD 结构及构成简介

1.3 HMD 像源子系统简介

1.4 本章小节

2 LCoS 像源

2.1 引言

2.2 LCoS 像源结构

2.3 LCoS 场序彩色化原理

2.4 LCoS 像源的信号处理和驱动

2.4.1 信号处理器和驱动器结构

2.4.2 视频信号转换单元

2.4.3 场序彩色化控制单元

2.4.4 参数校正控制单元

2.4.5 模拟LCoS 显示驱动器

2.4.6 数字LCoS 显示驱动器

2.5 本章小节

3 OLED 像源

3.1 引言

3.2 OLED 结构及发光原理

3.3 OLED 微型显示器件

3.4 OLED 显示的彩色化

3.5 OLED 像源的控制和驱动

3.5.1 控制和驱动电路结构

3.5.2 输入缓冲器

3.5.3 采样和保持电路

3.5.4 像素驱动单元电路

3.5.5 时钟控制电路

3.6 本章小节

4 LCoS 像源色彩算法推演与时钟计算

4.1 引言

4.2 数字式LCoS 的色彩数算法推演

4.3 数字式LCoS 的FSC 时序计算

4.3.1 SVGA 信号各时钟计算

4.3.2 8 色DLCoS 各时钟计算

4.3.3 64 色DLCoS 各时钟计算

4.3.4 24 位真彩色DLCoS 各时钟计算

4.4 模拟式LCoS 的色彩数算法推演

4.5 模拟式LCoS 的FSC 时序计算

4.5.1 行扫描式4096 色ALCoS 各时钟计算

4.5.2 行扫描式24 位真彩色ALCoS 各时钟计算

4.5.3 帧缓存式4096 色ALCoS 各时钟计算

4.5.4 帧缓存式24 位真彩色ALCoS 各时钟计算

4.6 本章小节

5 目标 LCoS 芯片逆向工程分析

5.1 引言

5.2 引脚时序测定

5.3 引脚功能分析

5.4 本章小节

6 LCoS 像源驱动控制器设计

6.1 引言

6.2 设计目标

6.3 驱动控制器总体结构

6.4 SVGA 数字信源模块

6.5 系统时钟发生模块

6.6 FSC 数据输入模块

6.7 FSC 像素编码模块

6.8 FSC 数据输出模块

6.9 FSC 场序LED 驱动模块

6.10 本章小节

7 结论与展望

致谢

参考文献

附：作者硕士期间发表的论文