基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的動態(tài)圖像顯示控制方法

孫文軒，陳保同

（1.中航航空電子有限公司，北京 100086；2.航天信息股份有限公司涿州分公司，北京 100097）

目前傳統(tǒng)的基于單片機控制的動態(tài)圖像顯示控制方法主要通過采用單片機作為驅(qū)動電路的核心模塊，對顯示控制電路進行設計，實現(xiàn)動態(tài)圖像的調(diào)用[1]。該種方法可以在一定程度上滿足動態(tài)圖像的顯示控制需求。同時，單片機作為新型顯示器元件，具備制造成本低、響應速度快、價格低廉、抗震性較高等優(yōu)秀性能。但是，由于單片機的使用能耗較高，在使用時會對屏幕顯示器產(chǎn)生較大的電壓負荷和電流負荷，使用時間過長將會導致屏幕顯示器使用壽命變短，其圖像的顯示性能也會受到影響。并且，該顯示控制方法的靈活度較差，對于清晰度不同的動態(tài)畫面，顯示的效果也會存在較大差異，無法滿足高精度屏幕的顯示控制需求。因此，需提出新型的動態(tài)圖像顯示控制方法，旨在滿足幀數(shù)較高圖像的顯示控制需求，同時也需要在最大使用限度內(nèi)，減少屏幕顯示器的電壓負荷，提高顯示指令的傳輸速度，為動態(tài)圖像的高分辨率展示提供可靠的方法。MEMS 光柵光調(diào)制器可根據(jù)光的強度，將屏幕數(shù)據(jù)內(nèi)容分為不同的灰度圖像，從而實現(xiàn)對圖像的高效控制。同時由于該調(diào)制器的使用能耗較低，可以低負荷運轉的情況下完成控制指令的傳輸與調(diào)用，因此可以解決目前顯示器電壓負荷較高的問題。將MEMS 光柵光調(diào)制器與傳統(tǒng)的圖像顯示控制技術進行結合，可以在實現(xiàn)高分辨率動態(tài)圖像調(diào)用的同時，對屏幕顯示器產(chǎn)生最低的電壓負荷，從而保障屏幕顯示器的使用壽命，維護顯示器在電力控制方面的性能[2]。

1 基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的動態(tài)圖像顯示控制

1.1 基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的圖像編碼生成

由于MEMS 光柵光調(diào)制器的出光效率較高，且顯示的灰度信息等級較高，對比度及飽和度等顯示性能均占據(jù)較大優(yōu)勢，因此選用MEMS 光柵光調(diào)制器作為動態(tài)圖像的顯示載體[3]。通過軟件的設計對圖像數(shù)據(jù)進行調(diào)用，再采用數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制電路，實現(xiàn)對動態(tài)圖像的顯示與控制。由于PC 鍵盤端輸送的指令形式為文字，MEMS 光柵光調(diào)制器無法對其進行有效識別，因此需要對PC 端輸入的指令文字進行編碼，得到對應的圖像編碼，具體實現(xiàn)步驟如下。

首先在MEMS 光柵光調(diào)制器的控制面板中，對兼容DC 進行創(chuàng)建，在該虛擬設備下創(chuàng)建出字號大小和兼容位圖均為固定的字體，將該字體嵌入虛擬DC 兼容器中。為了使圖片編碼的顯示更加清晰，將背景顏色和字體顏色設置成反差色，一般設置為黑白色，并將PC 鍵盤端輸入的字母制定按照規(guī)定的模式轉寫到DC虛擬兼容位圖中。此刻，DC 虛擬兼容位圖中呈現(xiàn)黑色或白色的像素位置即可對應輸入指令的字體編碼位置。對DC 虛擬兼容位圖上的像素灰度信息進行提取，根據(jù)像素的灰度判斷出輸入字母編碼的像素排列情況。將該排列內(nèi)容形成一個數(shù)據(jù)包，將該數(shù)據(jù)包的維度設置為二維，把每個指令字母對應的編碼位置分別標注在二維數(shù)據(jù)包的下方。即可通過二維數(shù)據(jù)包的下表對應出字母編碼，構建出基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的圖像灰度矩陣，實現(xiàn)對圖像的編碼[4]。

1.2 動態(tài)圖像數(shù)據(jù)讀寫模式設計

在對圖像編碼進行生成后，為確保顯示控制指令能夠順利地輸送，需要對USB 數(shù)據(jù)控制器的讀寫模式進行設計，使其能夠識別MEMS 光柵光調(diào)制器陣列生成的圖像編碼，具體實現(xiàn)步驟如下[5]。

USB 控制器內(nèi)部的指令數(shù)據(jù)傳輸主要是通過“full”和“empty”2 個控制信號實現(xiàn)的。當控制信號為“full”時，代表此刻USB 控制器的讀寫性能已飽和，無法對顯示控制指令進行讀寫；當控制信號為“empty”時，代表無法對FIFO（First In First Out）數(shù)據(jù)進行讀寫。因此，為提高動態(tài)圖像數(shù)據(jù)的讀寫性能，選取異步讀寫的方式，對顯示控制的指令數(shù)據(jù)進行讀寫[6]。異步讀寫的控制波形如圖1 所示。

圖1 異步讀寫控制波形

根據(jù)上述的控制波形可以看出，首先由FPGA（Field Programmable Gate Array）對控制器中的顯示控制數(shù)據(jù)指令進行讀取，經(jīng)由SLOE 輸出線路的傳輸，在低電平情況下降讀寫數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻ATA 數(shù)據(jù)線上，該數(shù)據(jù)線將讀寫數(shù)據(jù)轉為高電平模式，通過控制芯片傳輸?shù)紽PGA 可編程邏輯陣列中，此刻控制芯片可接收到MEMS 光柵光調(diào)制器陣列生成的圖像編碼數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顯示指令的調(diào)用與執(zhí)行[7]。

1.3 動態(tài)圖像顯示控制電路設計

確定了動態(tài)圖像數(shù)據(jù)的讀寫模式后，即可對MEMS光柵光調(diào)制器數(shù)字控制電路進行設計，使其能夠?qū)討B(tài)圖像的顯示情況進行控制，具體實現(xiàn)步驟如下。

本次動態(tài)圖像顯示控制的電路采用HDL 硬件語言進行設計，電路采用的芯片為FPGA。控制電路的具體實現(xiàn)路徑為通過讀取鍵盤端的顯示控制指令，將指令轉換為動態(tài)圖像編碼數(shù)據(jù)，然后使用灰度脈寬調(diào)制算法輸出顯示控制信號，實現(xiàn)對動態(tài)圖像的顯示與控制，電路的功能模塊結構如圖2 所示。

圖2 動態(tài)圖像顯示控制電路功能模塊結構圖

根據(jù)上述電路功能模塊結構圖可以看出，PC 鍵盤端輸入的顯示控制指令通過USB 控制器的處理，傳輸?shù)礁袷睫D換電路及USB 接口電路中。其中，格式轉化電路的圖像對灰度數(shù)據(jù)進行了格式的轉換，將指令的文字模式轉換為圖像編碼模式。USB 接口電路傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)通過DC 兼容位面轉換控制器流通至格式轉換電路中，并進入緩存器進行數(shù)據(jù)緩存。二進制脈寬調(diào)制電路對緩存器中的指令數(shù)據(jù)進行讀取，采用灰度算法生成圖像控制信號，輸出到MEMS 光柵光調(diào)制器驅(qū)動電路中，實現(xiàn)對動態(tài)圖像的顯示與控制。

根據(jù)上述步驟即可對動態(tài)圖像顯示控制電路進行設計與規(guī)劃，得到顯示控制指令傳輸?shù)耐暾窂健Ｖ链耍贛EMS 光柵光調(diào)制器陣列的動態(tài)圖像顯示控制方法設計完成。

2 實驗部分

為證明提出的基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的動態(tài)圖像顯示控制方法在減少負荷電壓能力上優(yōu)于傳統(tǒng)的動態(tài)圖像顯示控制方法，在理論部分完成設計后，對該顯示控制方法的實際控制效果進行檢驗。

2.1 實驗環(huán)境

為提高實驗結果的可靠性，本次實驗選取了2 種傳統(tǒng)的動態(tài)圖像顯示控制方法作為對比對象，分別為基于單片機控制的動態(tài)圖像顯示控制方法及基于復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）的動態(tài)圖像顯示控制方法。本次實驗選取的評價指標為數(shù)據(jù)的讀取能力，通過嵌入式分析儀，探測出顯示控制模塊在對圖像進行控制時的數(shù)據(jù)傳輸波形圖，比較波形圖的穩(wěn)定情況，進而判斷出動態(tài)圖像顯示控制方法的有效程度。

本次實驗采用到的設計代碼為RTL 代碼，用于實現(xiàn)動態(tài)圖像的顯示控制電路，通過采用代碼對電路進行編譯，將構建的數(shù)據(jù)包加入到實驗組中，并對STP 文件進行配置。為了提高實驗的采樣精度，選用高性能嵌入式邏輯分析儀，對控制電路芯片發(fā)射出的數(shù)據(jù)進行捕捉。將邏輯分析儀的接口與顯示控制電路的接口通過HDMI 數(shù)據(jù)線進行連接，實現(xiàn)對顯示控制芯片的交互。將邏輯分析儀捕獲的信號作為樣本信號，本次實驗共提取出2 組樣本信號，分別為高電平狀態(tài)下的樣本信號及低電平狀態(tài)下的樣本信號，具體信號波形如圖3、圖4 所示。

圖3 嵌入式邏輯分析儀捕獲的低電平樣本信號波形

圖4 嵌入式邏輯分析儀捕獲的高電平樣本信號波形

為提高實驗結果的準確性，本次實驗選取的高電平范圍為3.5、4.0、4.5、5.5 V；低電平的電壓范圍為0.5、1.0、1.5、2.0 V。通過對上述2 種顯示控制信號進行提取，采用3 種動態(tài)圖像顯示控制方法，再現(xiàn)出以上2種圖像波形，并比較在該狀態(tài)下3 種圖像顯示控制方法所需工作電壓與吸合電壓均值，以此判定出顯示控制方法的性能。

2.2 實驗結果

本次實驗采取的對比標準為光柵光調(diào)制器陣列的工作電壓和吸合電壓均值，該值越大代表顯示控制方法的性能更高。通過采用3 種顯示控制方法，對樣本圖像進行控制，并通過萬用表記錄下不同波形的顯示圖像所需要的工作電壓和吸合電壓，比較3 種方法的電壓負荷能力，具體實驗結果見表1。其中，傳統(tǒng)控制方法1 代表基于單片機控制的動態(tài)圖像顯示控制方法，傳統(tǒng)控制方法2 代表基于CPLD 的動態(tài)圖像顯示控制方法。

表1 電壓負荷均值對比結果

根據(jù)上述實驗結果可以看出，在波形不同的動態(tài)顯示畫面下，圖像顯示控制方法所需要的工作電壓和吸合電壓均有較大的差別。其中，傳統(tǒng)的動態(tài)圖像顯示控制在對分辨率較高的圖像進行控制時，需要的工作電壓和吸合電壓明顯更高，其電壓均值在10 V 以上，說明傳統(tǒng)的動態(tài)圖像控制顯示方法對于顯示器的電壓負荷較大，不利于屏幕顯示器的長時間運行。而本文提出的基于MEMS 光柵光調(diào)制器陣列的動態(tài)圖像顯示控制方法在對圖像進行顯示控制時，所需的電壓明顯更低，其工作電壓和吸合電壓均低于2 種傳統(tǒng)的顯示控制方法，平均電壓不到8 V，說明本文提出的圖像顯示控制方法對顯示器的電壓負荷較小，有利于提高動態(tài)圖像顯示器的顯示性能，滿足對高分辨動態(tài)圖像的顯示與控制。

3 結論

本文所提出的動態(tài)圖像顯示控制方法與MEMS光柵光調(diào)制器陣列進行了有效結合，通過對PC 鍵盤端的文字指令進行編碼，生成了可供MEMS 光柵光調(diào)制器識別的圖像編碼數(shù)據(jù)，有效提高了顯示控制指令的傳輸性能與效率。在今后的研究工作中，還需對光柵光調(diào)制器可識別的圖像灰度等級及高分辨率像素等級內(nèi)容進行更深入地研究，采用固定的設備和驅(qū)動程序，設計出可行度更高的圖像顯示控制方案。