基于FPGA的高光效LCD投影机设计

引言
显示技术正朝着大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向发展。通常说来，将屏幕显示面对角线尺寸在1米(40英寸)以上的显示称为大屏幕显示。投影机作为一种重要的显示设备，已经广泛地应用到了金融、教育、企业、军事等多个领域，它所具有的大幅面、高清晰多媒体演示功能，使信息的传递具有更好的效果。目前，市面上的主流产品是三片式LCD投影机和DLP投影机，其中，三片式LCD投影机的市场份额高达三分之二。

然而，投影机的主要采购者绝大多数是政府部门、企业和高校。无论是三片式LCD投影机还是DLP投影机，其高昂的价格一直妨碍着投影机进入普通家庭。为了简化设备结构，降低成本，本文给出了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影机的设计方法。

1 投影原理

三片式LCD投影机的一般电路原理如图1所示。由图1可以看出，传统LCD投影机的电路原理是把传送过来的视频信号通过彩色解码，以产生R、G、B信号，然后通过视频处理电路把该三基色信号加载在红、绿、蓝三只单色液晶屏上，最后加在三只单色投影管上，并经三只单色投影管还原后，再把图像通过光学透镜放大几十倍后由反射镜反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色图像。由此可以看出，由于三只投影管和投影镜头并非都正对屏幕放置，三种图像信号还原到屏幕上所经过的光路各不相同，而这必然导致R、G、B三色信号在屏幕上不能完全重合在一起，进而引起会聚失真。

于是，本文从图1的视频处理电路和控制电路着手，设计了一种新的投影方式，即在一个液晶屏上呈现R、G、B三基色的单色图像数据，并对照射进来的R、G、B三单色光进行调制，然后经过透射、折射以及图像拉宽等光学系统的处理，最终在屏幕上形成彩色网像，该方法的原理图如图2所示。

通过图2可以看出，该没计的最大特点是在一块LCD屏上分别显示出R、G、B三基色图像，并通过对单色光进行调制来投影，而不像传统的投影系统，要用三块LCD屏分别显示R、G、B基色图像。

2 投影机系统电路

在投影机设计中，控制电路的作用是对输入的视频和数字图像信号进行处理，以将其转变成适合LCD屏显示的信号。投影系统的电路部分如图3所示。当图像信号由DVI接口传送到DVI解码芯片后，系统可将视频信号分解成24位R、G、B单色信号以及相应的控制信号，再通过FPGA组成的视频信号处理电路进行相关转换，然后经过DVI编码芯片恢复成DVI信号，最后送至液晶屏。

从系统电路的示意图可知。以FPGA为核心(包括DVI解码、编码芯片在内)的信号处理电路是整个设计中最为关键的部分，图4所示是其数据读写和传输示意图。从DVI解码芯片进入FPGA的数据包括8位并行R／G／B信号以及行、场控制信号和时钟信号。事实上，为实现实时视频显示，应该对一帧(笔者使用的LCD屏所支持的最高分辨率为XGA，即1024×768)数据进行处理。可是，如果对整帧数据一起处理，至少需要2 MB以上的外部存贮器来对数据进行缓存，这样既提高了成本，又增加了电路的复杂性。因此，在本设计中，笔者采用了一种新思路，即对输入的视频数据一行一行的进行处理，并且在相邻两行的数据流处理中采用“乒乓操作”，这样既可实现实时显示，又简化了电路。具体操作如下：

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① 通过模块调用将FPGA的片内RAM分为“RAM_A”和“RAM_B”；

② 在第一个行周期，将输入的第一行数据流缓存到“RAM_A”：因为一行视频信号有3K字节，为了实现在LCD屏上三基色的分离，在对数据进行存储时，不能按照数据进入FPGA的顺序来存储，而应将红色数据依次存放在第1至第1024个存储单元，绿色数据存放在第1025至第2048个存储单元，蓝色数据则放在第2049至第3072个存储单元，即将原来的象素“打乱”存放；

③ 在第二个行周期，按照步骤②中所描述的方法将第二行的视频信号存入“RAM_B”，同时将“RAM_A”中所存的第一行视频信号依次从I／O口读出，再经DVI编码芯片编码后送至LCD屏，即在读出数据时“按序”读取；

④ 重复步骤②、③，使读、写操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”间循环进行，直至一帧数据传输完毕。

此时，LCD屏上显示数据的具体算法如图5所示，即R1，2占据G1，1的位置(即第2个单元)，R1，3占据B1，1的位置(即第3个单元)，R1，4占据第4个单元，以此类推，直至1024个红色数据在LCD屏上排列完毕，再开始绿色数据，继而是蓝色数据。这样便可达到图2中在一块LCD屏上分别显示R、G、B图像的目的。

本设计中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。该FPGA的片内存储器容量为90kbits，完全能够胜任对分辨率为XGA显示模式的视频信号进行行处理。如果要支持更高分辨率的投影模式或对图像进行整帧的处理，只需更换具有更大片内RAM资源的FPGA或是在FPGA的I／O口外接片外存储器。DVI解码和编码芯片分别选用Sil161和Sil164。

这种基于FPGA的控制器除可用投影机的视频信号处理外，还可应用于平板显示中有关图像的翻转、截取以及象素的抽取等。其操作的关键是对数据读、写地址的控制。

3 液晶屏的处理和光学调整

现在市面上的TFT液晶板都是有滤色膜的。本设计如果直接使用这种液晶板，那么当R、G、B三单色光分别照射到R、G、B图像区域的时候，滤色膜会吸收掉很大一部分光能，从而从投影亮度过低，无法达到应用要求。因此，本设计中所采用的液晶板需去掉滤色膜或者没有滤色膜的产品，以提高光源利用率和投影亮度。

由于视频信号在LCD屏上分为R、G、B三个部分，因此，三基色图像通过液晶板汇聚以后，会形成一幅高度和原图像相等。宽度压缩为原图像三分之一的彩色图像。这时，只需要一枚宽银幕镜头即可将该压缩图像拉宽，从而使其恢复到正常图像。

4 结束语

随着家庭影院概念的普及，约来越多的消费者希望在家中享受大制作影片所带来的强烈震撼。然而，昂贵的投影机却让很多家庭望而却步。本文从实际应用出发，设计了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影方式。不难看出，该投影系统将具有如下优势：

(1) 一旦产业化，这种新型投影机的成本比其它的LCD投影机要低很多，因而易于进入普通家庭；

(2) 集成度高，体积小，信息容量大，速度快；

(3) 光利用率显著提高，从而提高了显示质量。