基于LCoS微显和惯性传感器的头戴显示器电路及驱动设计

摘要

随着显示技术的发展，人们对近眼显示技术的需求越来越迫切，头戴显示器作为一种可穿戴近眼显示设备，在军事、教育、医疗、生产、娱乐中的应用变得越来越广泛，逐渐被人们所熟知。传统的头戴显示器往往存在体积较大、连接线较多、显示分辨率低、色彩单调、功能较少等弊端，而如今主流的头戴显示器仅在其中某些方面取得一定的改善，难以满足在特定环境下的需求。本文主要的研究内容是LCoS微显驱动控制技术，及基于惯性法的头部姿态检测技术，在此技术之上设计并开发出了完整的头戴显示器电路原型。 首先本文论述了LCoS显示技术的原理，详细对比了LCoS显示技术在亮度、功耗、分辨率等的优势，从而以LCoS微显为基础，讨论了微显模块和视频处理模块的硬件电路设计。此外，本文总结和比较了几种头部姿态检测方法的特点，惯性法体积小、精度高、计算量少的特点契合了头戴显示器的设计需求，随后论述了基于惯性的头部姿态检测方法原理和多传感器数据融合算法基础，进而完成系统惯性模块的硬件电路设计和PCB设计。 接着本文以系统硬件电路设计为基础，探讨了系统整体驱动设计，随后分别讨论了微控制器驱动设计、微显驱动设计、视频处理器驱动设计、惯性传感器驱动设计，具体分析了LCoS微显的输入时序和启动时序，视频处理器的输出时序和功能配置等，并涉及到陀螺仪和磁力计的校准问题。 最后本文对上述设计的具体实现，即头戴显示器电路系统原型进行了各项测试，包括功耗测试、USB虚拟串口数据收发测试等，并着重从主观和客观两个角度分析了LCoS微显的图像质量，以及从实时性、稳定性、准确性三个方面测试了惯性法检测头部姿态的精度和稳定性，从而较全面地反映了本文所设计系统的各个指标，验证了本文的研究工作。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2头戴显示器的发展和现状

1.3头戴显示器的关键技术

1.3.1微显技术

1.3.2头部姿态跟踪技术

1.4研究内容与章节安排

第二章 系统整体方案设计

2.1系统需求分析

2.2系统硬件选型

2.2.1微显选型

2.2.2视频处理器选型

2.2.3惯性传感器选型

2.2.4微控制器选型

2.2.5稳压器选型

2.3系统整体结构设计

2.4本章小结

第三章 LCoS微显控制方案设计

3.1 LCoS微显驱动原理

3.1.1 LCoS显示驱动原理

3.1.2色彩空间转换原理

3.2 LCoS微显控制电路设计

3.2.1供电模块电路设计

3.2.2 HDMI接收电路设计

3.2.3视频处理电路设计

3.2.4 LCoS微显模组接口电路设计

3.2.5 MCU最小系统电路设计

3.3本章小结

第四章 头部姿态检测方案设计

4.1头部姿态检测原理

4.1.1姿态的数学表示

4.1.2九轴MEMS的姿态检测原理

4.1.3多传感器数据融合算法

4.2惯性模块电路设计

4.2.1惯性传感器外围电路设计

4.2.2 USB接口电路设计

4.3系统PCB设计

4.4本章小结

第五章 系统驱动程序设计

5.1系统整体驱动程序设计

5.2 MCU驱动设计

5.3视频处理驱动设计

5.3.1 LCoS模组驱动设计

5.3.2视频处理器驱动设计

5.4惯性模块驱动设计

5.4.1九轴MEMS驱动设计

5.4.2传感器校准

5.5本章小结

第六章 系统调试和测试

6.1硬件测试

6.2系统联调

6.3图像显示测试

6.3.1主观测试

6.3.2客观测试

6.4头部姿态测试

6.4.1实时性测试

6.4.2稳定性测试

6.4.3准确性测试

6.5本章小节

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果