FPGA在微型投影仪中的设计应用

一种新型、仅手掌大小的便携式视频投影仪正快速地在越来越多的商务人士中流行开来。这种称为微型投影仪的小型设备，使用了新型投影技术，可以随时随地在任何平整的平面上显示静止或移动的图像。它们将广泛替代移动电话、数码相机和PDA上的LCD显示屏，目前这些设备的显示屏难以供多人一起观看。而使用微型投影仪之后，商务演示、简短视频或者家庭照片都可以方便地与观众一起共享。
　　

图1：微型投影仪使用示例

　　由于微型投影仪的价格昂贵，因此难以在各行业中普遍使用，但随着价格的下降，使用微型投影仪的消费类应用将会大量涌现，并且它将成为便捷、中等分辨率图像显示所普遍使用的显示技术。FPGA器件是唯一能将其从面向高价的应用设备，转变为面向对于成本更加敏感的消费类产品的器件。

　　根据最近的预测估计，2011年微型投影仪Q1的出货量为70万台，2011年的出货量将是2009年的十几倍。200多家公司正在开发更高质量和更低成本的微型投影仪产品。

目前的微型投影仪技术

　　目前，微型投影仪系统中使用的几种技术各有优缺点。其中最常用的四种是：数码光源投影(DLP)、硅基液晶(LQoS)、激光束偏转控制和全息激光投影(HLP)。

　　DLP使用光源和微反射镜来反射光。每个微反射镜控制目标图像中每个像素上光的亮度。镜子有两种状态，开和关，并不断刷新。亮度通过调节镜子的状态来控制。如果微反射镜关闭50%的时间，那么像素的显示亮度为50%。色彩是通过使用光源和反射镜之间的色轮将光过滤成红色/绿色/蓝色来形成，每个微反射镜同时控制三种颜色的光束来形成其像素。

　　LCoS投影仪采用类似DLP的方法，但它使用液晶硅而不是镜子来控制每个像素上光的亮度。采用三片不同的芯片，每片一种颜色(红/绿/蓝)来生成彩色图像。光束直接通过滤光器或使用分色镜(只允许特定波长的光线通过的镜片)。光源可以是LED或散射的激光。

　　LBS投影仪一次生成图像的一个像素。它使用了三个不同的激光束(红/绿/蓝)，每一个以要求的亮度显示。光学器件使用镜子控制每个光束，并将三个激光束合并来生成彩色图像。通过以足够快的速度(通常在60Hz以上)扫描图像，眼睛不会注意到图像中的每个像素是依次生成的。

　　HLP系统将激光照射到全息图像上，通过激光衍射形成原始的图像。计算出所期望得到的二维图像的衍射图像，显示在一个LCoS微型显示器上。当在相干激光的照射下，就可以投射出所期望的二维图像，并在任何距离下保持聚焦。

微型投影仪的类型

　　目前有三种主流的微型投影仪：独立式、媒体播放器式和嵌入式。

　　独立式投影仪：这些设备基本上是传统的投影仪。它们通过电缆(A/V、USB等)接收输入数据，并且除非使用另一个设备来生成视频信号流，否则无法显示任何内容。

利用FPGA的功能

　　FPGA为设计带来的几个关键功能，将有助于扩大这些小型投影仪的市场。鉴于市场的高速增长，客户可能会有意想不到的功能变化需求。随着市场的发展，竞争的压力也将越来越大，要求企业具有更短的市场反应时间和更快的技术更新速度。FPGA为这类市场提供了一大优势，即使在购买器件后，客户仍可以轻松地实现功能特性的更改。可下载的更新可以改善现有的功能，以应对竞争，并迅速适应不断变化的接口需求。此外，图像处理算法可以改进，根据客户的反馈或新的研究，迅速更新到已经在客户手中的设备。

　　媒体播放器式：这些设备是带有板上存储器或存储卡插槽的投影仪，并能直接播放存储器中的文件。投影仪必须支持存储器中的文件类型——照片、视频或音频文件。有些投影仪甚至支持Office文档、PDF和其他文件类型。

　　嵌入式投影仪：这些设备将投影仪添加到现有的设备(或作为附件)，为LCD显示提供一种替代选择(或补充)。可用于手机、相机、笔记本、数码相框和PDA等应用。

　　之前所介绍的每种技术，在实现三种主流的微型投影仪中的某一种时，都各有优缺点。例如，就媒体播放器式而言，分辨率和响应时间是非常重要的。对于嵌入式投影仪而言，大小和低功耗是非常重要的。

　　随着设备集成的发展潮流，许多微型投影仪将首先用作一些现有设备的附件。例如用作数码相机的附件，它可以像转换器那样直接插入相机，来显示静止的图片、幻灯片或视频。这类示例设计的系统框图如图2所示。系统中的光引擎(光学器件和一个接口电路)部分如图顶部所示，控制器如图底部所示。一个标准的7:1 LVDS(相机连接)接口用于从控制器传输图像数据到光引擎(虽然这不是现在的一个标准接口，但随着光引擎价格的下降，如相机连接这样的接口将会成为一种可能的选择，那么它就可以用于我们目标设计中的光引擎)。

图2：数码相机附件中的微型投影仪

　　与算术处理相结合来处理用以显示的图片像素，同时管理系统中的各种接口。一个LatticeMico8微控制器控制数据流和来自用户接口的各种指令。它通过Wishbone系统总线和FPGA的其他功能进行通信。DDR2存储器控制器提供接口到外部DDR2存储器，并且有两个端口——一个来自Wishbone总线(用于通用的系统控制功能，以及当图像数据是通过DVI/HDMI接口进行接收时)，另一个来自JPEG解码器和像素处理器(用于高优先级的图像处理功能)。SPI存储器控制器接口到非易失性存储器，其中存储了大量的图像处理表和代码。摄像机中的图像数据，通过JPEG格式编码，经DVI/HDMI接口存储到DDR2存储器。JPEG解码器将JPEG编码的图像数据转换为投影仪光学器件中所需的独立的红、绿和蓝色像素数据。这个像素数据还可以通过像素处理器和其他定制化的算法来进行处理，以改进图像质量。一旦像素数据可以发送到光学器件，7:1 LVDS视频接口对像素数据进行分包，并通过标准的视频协议将它传输到光学器件接口。USB接口连到外部USB 2.0/3.0物理层。通用IO块控制外部的电源管理、用户接口(按钮和开关)以及配置控制功能。许多这些重要的功能块已经有现成的IP核，可从FPGA制造商或他们的合作伙伴处获得，并使得设计师们能专注于设计中增值功能部分的设计。

　　在基于激光的系统中，去光斑算法就是利用图像处理算法修改功能的一个很好的示例。激光光斑使图像上“产生光斑”，当相干光从粗糙的投影仪表面散射出来，然后会在人的视网膜上产生干扰。减少光斑是一个很重要的功能，因为用户会因此而分散注意力，这将影响用户视觉接收到的图像质量，并降低有效分辨率。各种用于减少光斑的算法，可能要改变激光调制频率中的控制参数(以改变光的相干性)，改变每幅图像像素的亮度，或使用类似于传统显示器中使用的图形保真的算法。随着新方法的研究，这些算法很可能会有新的突破，那些能适应各种可能的修改的设计，比如那些基于FPGA的设计，将获得竞争上的优势。

　　现代FPGA，如LatticeECP3，提供了多种先进的硬件功能，有利于微型投影仪的设计。数字[FS:Page]信号处理(DSP)功能可用于实现复杂的图像处理算法，如色彩空间的转换和JPEG编码/解码，以及更通用的DSP算法，如FFT和过滤器。专用的片上存储器块可用作图像缓冲器、FIFO缓冲器和嵌入式处理器的数据或代码的存储。高速SERDES块可用于实现常用的串行视频接口，如DVI、HDMI、DisplayPort和基于7:1 LVDS的标准，如CameraLink或ChannelLink，以及计算机接口，如PCI-Express、串行Rapid I/O和以太网(GbE、XAUI和SGMII等)。

　　对于快速增长的市场来说，也许FPGA最引人注目的优势就是它可以实现更快的产品上市时间。在快速增长的市场中，较之ASIC实现，FPGA有其明显的优势，其开发和部署周期时间可以缩短为几周而不再是几个月，从而决定了产品的成败。在可预见的一段时间内，ASIC可能仍然是现有、大批量市场的一种可行的设计技术选择，但是FPGA在当今快速成长和不断发展的市场中将会有更大的用武之地。

　　FPGA制造商已经加大了在细分市场开发套件上的投入，其中FPGA和外设器件与针对特定市场的IP核相结合，为设计师提供了一个开发差异化设计的良好起点。在许多情况下，电路板上已经提供了应用所需的所有外部组件和接口，以及驱动程序和操作系统，可以进行快速部署。这些套件进一步增强了FPGA与基于ASIC的设计相比，在产品上市时间上的优势。