（通信与信息系统专业论文）基于led光源的dlp控制系统研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 l e d 具有寿命长、色域宽、环保和快速开关的优点，已经成为极具前景的 投影系统新光源，有利于基于微显示技术的d l p 技术市场的发展。在基于l e d 光源的d l p 光机系统中如何在满足显示标准的前提下更加精确、稳定、动态地 控制l e d 时序发光成为关键问题。 本文主要针对基于l e d 光源的d l p 光机控制系统进行研究，详细描述了该 种光机控制系统中f p g a 控制l e d 时序发光机制，具体介绍了f p g a 中各功能 模块的原理、电路构成及硬件程序仿真验证，论文的主要工作有： 1 s p i 串行总线接口功能模块负责f p g a 模块与前端电路以串行方式进行通 信、交换信息。f p g a 模块作为受控器通过s p i 接口，将包含驱动l e d 电流值等信 息的多个数据包接收、存入本地，进行相关处理后，在下一个场同步周期通过 d a 控制模块送入后续驱动电路，驱动l e d 有序发光。 2 随着照明系统温度的上升，每个l e d 的性能都会下降，出现光通量减少 及主波长增长的现象。在f p g a 控制系统中，共有三种监控电路，分别对电压、 电流、温度进行采样，将经过a d 控制模块转换后的数字信号送入f p g a 模块， 进行相关运算后，采取妥当解决措施，例如关闭系统或以更安全的亮度水平实现 色点等，从而可以达到控制l e d 正常工作的目的。 3 本文采用当一个基色工作时，同时加入一定比例的另外两种基色光作为 辅助光的方法实现色域的校准。利用一组x y zs e n s o r 进行实时测量反馈，由 f p g a 模块控制辅助光，实现了l e d 显示色域的实时校准，避免了l e d 一致性 差异和环境温度对主波长和色坐标的影响。实时动态地调整l e d 发光色域，满 足p a l 制式的显示标准，更准确、稳定地显示图象信息。 关键字：l e d 、d l p 、f p g a 、s p i 接口控制、a d 、d a 华东师范大学硕士学位论文 a bs t r a c t d u et ot h ei m p r o v e m e n to fh e a td i s s i p a t i o ns t r u c t u r eo fl e d ，t h ep o w e rr a t i n gp e r t u b ea n do u t p u tl u m i n o u sf l u xp e rw a t th a v eb e e nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e d l e df e a t u r e d f o ri t sl o n gl i f e t i m e ，w i d ec o l o rs p e c t r u m , n oh a r m f u lb e a m , f r i e n dt oe n v i r o n m e n ta n d h i g h - s p e e ds w i t c h i ti sav e r yp r o m i s i n gl i g h ts o u r c ef o rp r o j e c t i o ns y s t e m , w h i c hi si n f a v o ro ft h ed e v e l o p m e n to fr e a rp r o j e c t i o nt vb a s e do nm i c r o - d i s p l a yt e c h n o l o g y d l p t e c h n o l o g yi sau n i q u es o l u t i o nw h i c ha p p l i e dp h o n i c ss e m i c o n d u c t o rt og e n e r a t ed i g i t a l m u l t i s o u r c ed i s p l a y t h eh i g h - - s p e e ds w i t c ha b i l i t yo fd l pt a k e sf u l la d v a n t a g eo fn e w l y d e v e l o p e dl e dc o l o r i ti m p l e m e n t sm u l t i c o l o rc o n f i g u r a t i o nt h r o u g hs i n g l ed m d e q u i p m e n ta n dg e t sg r e a t e rf l e x i b i l i t y l e dr e q u k e s n op o l a r i z a t i o nb u to n l yt h ep r e c i s e r e f l e c t i o no fl i g h tf r o md m dm i r r o r l i g h tc a nb ed e m a n d - c o n t r o l l e dw i t hv e r yh i g h e f f i c i e n c y , w h i c hm a x i m i z e d t h ei l l u m i n a t i o na n ds y s t e me f f i c i e n c ya n dr e d u c e dt h eh e a t e m i s s i o n t h el o w e rs y s t e mc o s t ，i m p r o v e di l l u m i n a t i o na n dw i d e ng e n e r a t e d c o n t r o l l a b l ec o l o rg a m u ta r em u c ho u t p l e r f o r m e dt h a nt h et r a d i t i o n a ls y s t e mw i t h c o m m o nl i g h ts o u r c e t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e do nt h es o l u t i o no ff p g am o d u l ec o n t r o lp r o b l e mf o rt h e d l pl i g h tm a c h i n es y s t e mb a s e do nl e dl i g h ts o u r c e f p g ac o n t r o lm o d u l ew a s a d d e di n t ot h ee x i s t i n gd d p 3 0 21 c h i ps y s t e m t h i sm o d u l ei m p l e m e n t e df o u rm a j o r f u n c t i o n s ：t h ec o n t r 0 1 d r i v ef o rl e de m i s s i o n ，t h ec o n t r o lo fa dt od ac o n v e r s i o n ，t h e c o n t r o lf o rs p ii n t e r f a c ea n dc o l o rg a m u tm o n i t o ra n dr e g u l a t i o n b ya d d i n gt h e c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h e s ef o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，t h et i m es e q u e n c eo fl e d e m i s s i o ni sc o n t r o l l e dd y n a m i c a l l yf o rs t e a d yl e dc o l o r , h i g hs y s t e mr e s o l u t i o n , w e l l d i s t r i b u t e ds c r e e n , s h a r pd i s p l a ya n dm o r es t a b l ep e r f o r m a n c e k e y w o r d ：d l p ，l e d ，f p g a ，s p ii n t e r f a c ec o n t r o l ，a d ，d a 华东师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确说明并表示谢意。 作者签名： 27 么 乞畦一 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 靴论篡篓私 学位论文作者签名：午l 日期：2 挈：曼鱼：翌。 导师签名：侈 日期：三翌g 多肜 华东师范大学硕士学位论文 o r i g i n a l i t y n o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r s d e g r e ea te a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a tt h i st h e s i si so r i g i n a la n da n yo f t h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n yo ft h er e f e r e n c e s t ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k ，p a t e n t ，s t a t u t o r yr i g h t ，o rp r o p r i e 哆r i g h to fo t h e r sh a v eb e e n e x p l i c i t l 愕c t 么 走， 尹六 i nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na tt h ee n do ft h i st h e s i s c o p y r i g h t n o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l ef o r i n s p e c t i o n if a r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go ft h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o r s c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r ，s t o r i n gt h ec o n t e n to f t h i st h e s i si n t or e l e v a n td a t a b a s e s ， a sw e l la sc o m p i l i n ga n dp u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s i s ，c o n s i s t e n tw i t h ”f a i r u s ed i , t h ec o p y r i g h tl a wo ft 么? 少 、，、 s kn a 。u r ：刎 ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a d a t e ：护p ，( o , d a t e ：俨p 石卢 华东师范大学硕士学位论文引言 引言 1 1 课题研究的背景及意义 d l p 技术【2 儿3 】是一种独创的、采用光学半导体产生数字式多光源显示的解决方 案。利用l e d 照明技术优势的d l p 高清电视，其亮度性能已经能与基于灯泡的系统 相媲美。通过使用新一代的高亮度l e d ，实施独特的反馈系统，d l p 高清电视已经 能够充分利用l e d 照明的优势。通过独特的反馈算法，可以证明任何可能影响白点 的色移都可以被控制在不为肉眼察觉的范围内。 显示技术领域正在经历一个更新换代的阶段，以液晶、等离予为代表的平板显 示产品正在大量取代传统的c r t 显示产品，表现出强劲的增长势头。在未来相当长 时间内，4 0 i n c h 以下的显示产品将逐步由平板显示替代c r t 显示。对于5 0 i n c h 以上的 大屏幕显示，由于成本方面的因素，基于微显示技术的投影显示包括正投影和 背投影，仍将是主要的显示方式。在4 0 i n c h , - 一5 0 i n c h 的领域，是平板显示与投影显示 交叉的市场。光源已经成为限制基于微显示技术的背投电视( 微显背投) 市场发展 的突出问题，主要原因是光源所采用的高压汞灯寿命太短，从而导致过高的光源使 用成本。由于l e d 结构的改进散热方式的优化，l e d 的单管功率和每瓦输出光通量 均有了很大的提高，加上l e d 具有寿命长、宽色域、无有害光线、环保和快速开关 的优点，l e d 已经成为极具前景的投影系统新光源。然而无论是国内还是国际上对 以l e d 为光源的微背投电视尚处于研究阶段，还没有成熟的针对l e d 光源的背投电 视驱动电路和可商业化的产品出现，因此研匍 d l p 背投电视的l e d 光源照明系统是 极具研究价值和商业前景的，也能为我国具有自主知识产权的背投电视显示技术研 究奠定基础。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外运用l e d 技术的d l p 产品都使用了德州仪器的d s p 部件实时处理 华东师范大学硕十学位论文引言 系统信息，在广大的操作温度范围内提供稳定性，并最大化亮度和可靠性。l e d 技 术的快速交换能力与d l p 技术的快速交换性能天衣无缝的互相搭配。利用d m d 和 l e d 的高速性，色彩的刷新率远远高过现有设计水平；色彩的随意排列也成为可能。 最终，图像色深更大，动态效果更佳，亮度亦更高。增力i j l e d 的交换频率可以实现 更大的能源驱动，并减小p n 连接的热负荷。d l p 技术的快速交换能力充分利用l e d 新开发的色彩，通过单个d m d 设备实现多重色彩配置，从而获得更大灵活性。l e d 无需极化，只要将光精确地从d m d 镜面反射出去。光线按需取用，效率极高，使亮 度和系统的效率达到最大，并减少发热。系统的成本降低，亮度提高，色域加宽， 远远超越利用普通照明源的传统系统。进一步利用l e d 快速交换能力以提升视频的 性能和对比度，而无需通过光电机械部件；生成的可调节色域将远远超过传统照明 源。新产品将很快获益于上述基本性能，提供全新的独特设计包括瞬时显像， 更佳的色彩，以及经由d l p 微镜阵列的高速响应带来的更佳图像质量。随着l e d 和 d l p 技术不断融合，d l p 高清电视的性能和可靠性甚军将大大超越现有的d l p 高清 电视产品。 1 3 论文的主要内容和主要贡献 本课题是在基于l e d 光源的d l p 光机系统中重点解决f p g a 模块控制问题。在现 有d d p 3 0 2 1 芯片系统中增加- f p g a 控制模块。该模块具体实现三个主要功能，l e d 发光驱动控制功能、a d 和d a 转换控制功能、s p i 接口控制功能。通过增加这三个功 能模块与前端d d p 3 0 2 1 通讯，动态控制调整l e d 发光时序，使得l e d 色彩稳定，系 统清晰度高、画面均匀、色彩锐利，性能更加稳定。 本文研究基于l e d 光源d l p 中f p g a 模块的实现。本文的主要内容和贡献为： 1 ) 使用v e r i l o g 语言编程实现电压电流、色度以及温度等监控电路进行采样、处 理的a d 和d a 控制模块；实现s p i 接1 2 1 动态调整l e d 电流驱动控制模块。用v e r i l o g h d l 实现的s p i 总线接口模块在m o d e l s i m 中编译、调试，并做了前仿真。前仿真通 过后，又在a l t e r a 公司的d e 2b o a r d 上做了f p g a 验证，结果与在m o d e l s i m 中的仿真结 果一致。 2 ) 因为l e d 的生产、温度、驱动电流、寿命的性能各异，在色度处理模块中， 分别将三色红、绿、蓝l e d 色度传感器采样的值处理后与各自预存值进行比较分析， 2 华东师范人学硕士学位论文 引言 计算变化值，提供相应的反馈，对三色l e d 电流进行不同的动态调整，从而可以达 到改善l e d 发光波长，使得色彩更加稳定的效果。 3 ) 实现保持和动态调整所需色域范围。在f p g a 的色域转换控制模块实现了 动态监测三色l e d 发光性能，保持l e d 在可显示色域内发光。实时动态地调整l e d 发光色域满足p a l 制式的显示标准，更准确、稳定地显示图象信息。 1 4 论文的篇章结构 本文的主要工作，是基于l e d 光源的d l p 光机系统中f p g a 模块控制的研究。在 现有d d p 3 0 2 1 芯片系统中增加了f p g a 控制模块。该模块具体实现三个主要功能， l e d 发光驱动控制功能、a d 和d a 转换控制功能、s p i 接口控制功能。通过增加这三 个功能模块与前端d d p 3 0 2 1 通讯，动态控制调整l e d 发光时序，使得l e d 色彩稳定， 系统清晰度高、画面均匀、色彩锐利，性能更加稳定。 本文的内容安排如下： 第一章：引言，阐明了基于l e d 光源的d l p 光机系统研究的背景和意义，对国 内外该领域的发展作了较全面的总结，介绍了基于l e d 光源的d l p 光机系统研究概 况。 第二章：系统结构及s p i 接口控制。本章分为两部分：第一部分介绍了基于l e d 光源的d l p 光机系统中f p g a 模块的构成；第二部分是详细介绍了f p g a 模块与前端 通信的s p i 接口控制过程原理及实现。 第三章：l e d 光源选用及驱动电路设计。分析l e d 发光性能和稳定性的关键所 在。分析如何控制对光的吸收，提升热效率。分析如何使用p w m 控制技术在不同 时间控制大功率l e d 的功率输出提高l e d 的发光效果。 第四章：监控电路设计。为了使l e d 能够在额定的电压和电流下正常工作，需 要电压电流监控电路实时监控其电压和电流值。实时动态地调整l e d 发光色域满足 p a l 制式的显示标准，更准确、稳定地显示图象信息。 第五章：a d 与d a 控制模块。在l e d 驱动系统中，有三块a d 模块电路，分别对 电压电流、色度、温度进行采样，将采样的数字信号送入f p g a 相应处理模块进行 处理，从而可以达到监控并控帛i j l e d 正常工作的目的。 第六章：总结和展望。总结回顾了本课题所做的研究工作，给出了不足之处， 提出了有待进一步研究的工作方向。 最后是全文总结和致谢。 华东师范大学硕十学位论文 第一章系统结构及s p i 接口控制 第二章系统结构及s p i 接口控制 l e d 驱动系统【4 】由五个模块构成：f p g a 控制处理、温度监控、色度监控、电压 电流监控及l e d 驱动模块。实现对r 、g 、b - - - 个l e d 的驱动控制，并能保证u d 在 出现温度过高、色域变化大、电压电流不稳定时关闭系统或者恢复调整驱动。本章 中将就上述模块原理、功能进行简单阐述。 图2 1 中给出了该驱动系统的框图。 l 1 图2 1 驱动系统结构示意图 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a lb u s ) 总线是同步串行外设接e l ，容许m a s t e r ( 主控器) 与多 个s l a v e ( 受控器) 以串行方式进行通信、交换信息。本课题描述s p i 挈行总线接口及 该接1 ：3 作为连接前端f o r m a t e r 与后端驱动电路所完成的功能，将m a s t e r ( d d p 3 0 2 1 ) 通过s p i 信号线传送的驱动l e d 电流信息接收、处理，将处理后的电流信息送到d a 控制模块。 为了能够使得l e d 正常工作，需要电压电流监控电路分别监控其电压和电流值， 经过a d 转换后将数字信号传送给f p g a 。f p g a 电压电流处理模块对信号进行分析， 4 华东师范大学硕士学位论文 第二章系统结构及s p i 接口控制 超出电压电流范围，将暂时关闭系统。色移不仅影响颜色色点，还影响到整个系统 的白点。色度传感器测量l e d 的输出波长变化，提供反馈，经过a d 转换后将数字 信号传送给f p g a 。f p g a 色度处理模块计算出正确的结果并给以适当控制。随着照 明系统温度的上升，每个l e d 的性能都会下降，出现光通量减少及主波长增长。随 着主波长的增长，每个l e d 的亮度值都必须重新计算，以保证在温度升高的情况下 仍然能实现目标色点。本课题中温度监控电路实现对l e d 温度的采样、转换及相应 处理。 s p i 总线是m o t o r o l a 公司提出的一个同步串行外设接口，以串行方式进行通信、 交换信息。具有接口线少、通讯效率高等特点。本章将简述s p i 总线的特点，介绍其 四条信号线，s p i 串行总线接口的典型应用。本课题重点描述s p i 总线接口控制功能介 绍、时序分析，以及具体实现。该实现已经在m o d e l s i m 中完成了仿真，并经过了f p g a 验证，最后给出了仿真和验证的结果。本课题给出的是利用v e r i l o gh d l 实现的s p i 总线s l a v e 端接口控制模块，该模块是f p g a 控制系统中一个子模块。该模块完成了前 端f o r m a t e r ( d d p 3 0 2 1 芯片) 与后端驱动电路的通讯工作。 2 1s p i 总线接口概述 s p i 总线【5 1 是允许c p u 与各种外围接口器件( 包括模数转换器、数模转换器、 液晶显示驱动器等) 以串行方式进行通信、交换信息。使用四条线：串行时钟线 ( s c k ) 、主机输入从机输出线( m i s o ) 、主机输出从机输入线( m o s i ) 、低电平有 效的使能信号线( c s ) 。这样，仅需三到四根数据线和控制线即可扩展具有s p i 接口的 各种i o 器件其典型结构如图2 2 所示。 图2 2s p i 接u 典型结构 s c k 糍埯l 撒鞭) 华东师范大学硕士学位论文第一章系统结构及s p i 接几控制 s p i 总线具有以下特点： ( 1 ) 连线较少，简化电路设计。并行总线扩展方法通常需要8 根数据线、8 1 6 根 地址线、2 - 3 根控制线。而这种设计，仅需4 根数据和控制线即可完成并行扩展所实 现的功能。 ( 2 ) 器件统一编址，并与系统地址无关，操作s p i 独立性好。 ( 3 ) 器件操作遵循统一的规范，使系统软硬件具有良好的通用性。 2 2s p i 总线接口控制 本课题中d d p 3 0 2 1 前端板与f p g a 有5 条控制线和5 条s p i 总线。而f p g a 通过l 条 控制线( s s id r vl i t z ) 、l 条反馈控制线( s s is e n s o r ) 及三组8 位数据线 ( rd r vp k g 、gd r vp k g 、bd r vp k g ) 最终实现对l e d 的正常点亮控制及 采样。图2 3 为f p g a 具体的硬件连接示意图。 一_ s s id r v 脒z s u 瓣姒姬一 _ 姒s 图一i 饿传勰 s i r ( 堪br s t r 骶j 。 s i r o b i e 拜。 d d p 3 0 2f 粥a l 一_ s 獬一d r v j ，i t l 蠛ld r v c l k 一 ； d s s ! d r v o e z 。 销ld r v 旺。 s p i ，l 漱卜_ 尹+ l 翩 s s ld r vd l g 一掣一双团_ r 鹱动 一娥d r v 。d o u f 电薅 一 鼬r ，v p k g - 暖 q 图2 3f p g a 硬件连接示意图 d d p 3 0 2 1 前端板对f p g a 在上电过程中，通过s s ie n z 信号线完成对f p g a 的初 始化。并通过s s id r vd i n 信号线将具体驱动电流信息以数据流的方式发送给 f p g a 。f p g a 通过对这些信息的处理将驱动电流值输出到后端电路。图2 4 为具体 上电时序图及相关步骤： 6 毕东帅范 节埘十学论文批璋系统站构s p 接口控剖 - j 图24s p i 上电_ f 寸序图 上电过程相关步骤： i 电 d d p 3 0 2 i 置t t s s ie n z 信号 d d p 3 0 2 1 通j 生s s id r vd i n 信号线将驱动电流的i d 神t s t a t u s 信息包传l i j f p g a d d p 3 0 2 1 通过s s id r vd i n 信号线将驱动电流的t j m i n g 信息包传i j f p g a s s il i t z 信号被最低 荩奉操作开始 2 3s p l 数据包的接收处理 2 3 1s p | 数据包定义 d d p 3 0 2 1 芯片是s p l 接 】的l 控器。f p g a 控制处理模块是从控器。数据包中 的数据通过s p i 接几传送。r 、g 、b 缚种颜色都有一种类型的数据包。驱动电流设 置包( 2 2 个字节) 、时序设置包( 4 个宁甘) 乖l 身份验证包( 6 个字宵) 。f p g a 撺 制处州模块将收到的包反馈到d d p 3 0 2 l 一出片，咀确保数据的扩确传输。前一帧的 数据收到后将用作下帧视频流。通过s u b f r a m e 信号控制线进彳j _ 场圳步( j 剞期 1 66 7 m s ) 。如果没有数据收到，继续使川当前数据包作为视频流信息输卅。l 刳25 是场同步周期r 一也数据也的接收小意吲。 华东师范大学硕士学位论文第二章系统结构及s p i 接几控制 卜一税黝n 叫一撬糊黼一 圈圉圈圈圉 图2 5 场同步周期下三色数据包的接收图 2 3 2s p i 数据包接收过程 在一个场同步周期中，d d p 3 0 2 1 前端板通过s s id r vd i r z 信号线的跳变实 现对三色数据包的分时接收。具体过程如图2 6 所示。 图2 6 一个场同步周期内三色数据包的分时接收 s p i 总线的5 条信号线共同实现了将d d p 3 0 2 1 前端板送来的数据信息接收、反 馈功能。s p i 总线信号线功能描述如下表2 1 。 表2 1s p i 总线信号线功能描述 信号名 输入输出功能描述 信号类型 s s l 一d r v c l k 输入s p i 总线时钟l v c m o s s s i d r v o e z输入s p i 总线输出使能端l v c m o s s s i d r v d i r z输入s p i 总线接l j 复何端l v c m o s s s i d r v d i n输入s p i 总线数据输入l v c m o s s s i d r v d o u t输出s p i 总线数据输出l v c m o s 华东师范大学硕士学位论文第二章系统结构及s p i 接门控制 s s id r vo e z 信号用来同步字节的接收。s s id r vd i n 传送到f p g a 的数据流 m s b 是最高位( b i g - e n d i a n ) 。s s id r vc l k 上升沿采样s s id r vd i n 信号线。接 收到第一个字节后，f p g a 将从下一个s s id r vo e z 有效时，在s s id r vc l k 下降 沿将上一个字节回传给前端。当收至l j d u m m y 字节( 8 b 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 时，意味着此时某 一颜色的某种信息包接收完毕，准备接收下一个数据包。例如红色的t i m i n gp a c k e t 接收完毕。如图2 7 和图2 8 所示。 域胛啊心 u h 嘲懈 & 。n 。n 他一几。厂一 u u d i 秣t e t l t n n 曩n 觚门| 8 n a 8 n a n n a n n n n n 厂 a n 8 n n & & 八8 a a 觚n 厂 矧州州1 受叵 堂二烂塑互x 二二二汇受叵玉! 递二y _ 一 捌j 翮u 栅、c j 型= 塑e x 二二二k 受亘 工塑二厂一 图2 7 一种数据包接收时序图 乓 _ 置o 氕m _ 州j 止1 h 般u i 豫 a d d r e s sb y l e - q d a t a8 徊 厂一， n l _ t 脚c t k 八以厂、八八几厂、几八n 厂、八八厂、厂、厂一 p 曩l c 印一二二二逛疆烫受园圃巨匿娅互 蟹题涎砸礤鳅固叵睡二 s 删1 百砸强受磁蕊磁 瞻妇a 抽墒i l 艮hl | 洲 。 图2 8 一种数据包接收时序细化图 2 3 3s p i 数据包接收流程图 图2 9 和图2 1 0 给出了f p g as p i 模块接收数据包具体的流程。 9 华东师范大学硕士学位论文第二章系统结构及s p i 接口控制 图2 9f p g as p i 模块接收数据包流程图 华东师范大学硕士学位论文第二章系统结构及s p i 接几控制 图2 10f p g as p i 模块红色三组数据包接收流程图 2 4s p l 数据包处理及输出 2 4 1s p i 数据包处理及正常输出过程 f p g a 中s p i 控制处理模块在接收到完整的p a c k e t s 后，对相关寄存器中存储的 点亮l e d 控制字节进行输出操作。在这个输出控制模块中一共有7 条控制线完成该 项操作。表2 2 给出了控制点亮l e d 时序信号线及其功能描述。 华东师范大学硕十学位论文 第二章系统结构及s p i 接口控制 表2 2 控制点亮l e d 时序信号线及其功能描述 信号名输入输出功能描述信号类型 s s i _ d r v e n z输入点亮l e d 使能端l v c m o s s s i _ d r v _ l i t z 输出点亮l e d 端l v c m o s s t r o b e r输入红色l e d 控制线l v c m o s s t r o b e g输入 绿色l e d 控制线l v c m o s s t r o b e b输入蓝色l e d 控制线l v c m o s s s i s e n s o r输入传感器采样控制信号线l v c m o s s u b f r a m e 输入场同步信号l v c m o s s t r o b er 、s t r o b eg 、s t r o b eb 分别对应控sj r 、g 、b 三色驱动电路。 当s t r o b e 控制线有效时，驱动电路将按照这三条控制线的具体组合输出一组相应 驱动电流值。这些驱动电流值都来自接收到的驱动电流值数据包( d r i v el e v e ls e t t i n g p a c k e t s ) 中的信息。表2 3 给出了s t r o b e 控制线电平组合与三色电流驱动值组的关 系。 表2 3s t r o b e 控制线电平组合与三色电流驱动值组关系 s t r o b ers t r o b egs t r o b eb 红色驱动电流值组0 01 绿色驱动电流值组0 10 蓝色驱动电流值组 100 如图2 11 ：s t r o b er 、s t r o b eg 、s t r o b eb 控制信号的活动时间t s t b 为 5 4 8 5 m s ，s t r o b er 、s t r o b eg 、s t r o b eb 控制信号之间的时间t s t s 为5 5 u s ， 采样时间为2 5u s ，这样完成一场输出时间为1 6 7 r n s ，大约6 0 h z 。 s 1 。r o 扛e 蠢 卜一钿叫 ll m 僦一。厂 图2 1 1s t r o b e 控制线时隙要求 用v e r i l o g 实现时，信号有如下定义：s t r o b e r 、s t r o b e g 、s t r o b e b 是 r 、g 、b 是同步控制线，s s is e n s o r 为r 、g 、b 采样控制线，s s id r vl i t z 是r 、 g 、b - - 色l e d 点亮控制，rd r vp k g 、gd r vp k g 、bd r vp k g 是输出控制r 、 g 、b 电流值。 在一个场周期中，s t r o b er 、s t r o b eg 、s t r o b eb 二个信号控制不同组 1 2 华东师范大学硕士学位论文 第二章系统结构及s p i 接口控制 的三色l e d 电流值赋值给rd r vp k g 、gd r vp k g 、bd r vp k g 寄存器。 s s i _ d r vl i t z 信号负责选通l e d ，与m a x l 6 8 1 8 的p u l s e 输入端连接，只有高电平 时才会有驱动电流通过l e d 。rd r vp k g 、gd r vp k g 、bd r vp k g 是三个l e d 驱动电流值寄存器，代表此时l e d 驱动电流的大小。f p g a 将它们的值通过d a 转换 器转换为模拟电压，控制m a x l 6 8 1 8 的驱动电流。控制信号时序图如图2 1 2 。 盯r o b fr 盯r o b eg 盯r o b eb s s ls e n s o r s s ld r vl i t z _ i r 乙j li r _ juulj 图2 1 2 控制信号点亮l e d 时序图 2 4 2s p i 输出采样过程 图2 1 2 中控制线s s i s e n s o r 需要在三个场周期内依次对r 、g 、b 三个l e d 进行采样，所以在v e r i l o gr t l 级6 1 8 1 实现时采用一个计数器c n t 一3 进行计数，判 断一个场周期内的特定时期对某一个l e d 进行采样，采样时间为2 5u s ，满足a d 模块采样建立时间。图2 1 3 给出了输出采样三色l e d 的状态转换图。 一， 图2 1 3 选择输出采样状态转换图 s s is e n s o r 信号线用来控制输出采样驱动电流值给某一颜色的l e d ，其他颜 华东师范大学硕十学位论文第二章系统结构及s p ! 接口控制 色的l e d 都关闭。例如输出红色采样驱动电流值l 时，此时只点亮红色l e d ，绿 色和蓝色l e d 关闭。此时色度传感器采样该l e d ，并将采样值通过a d 转换反馈 给f p g a 中色度处理模块进行色域处理。s s is e n s o r 信号线与s t r o b er 、 s t r o b e g 、s t r o b e b 、s u b f r a m e 四条信号线组合共同实现上述功能。见表 2 4 。采样驱动电流值是f p g a 上一个场同步周期接收到的驱动电流值数据包( d r i v e l e v e ls e t t i n gp a c k e t s ) 中第8 到第1 1 个字节中的信息。 表2 4 输出采样控制线电平组合 s t r o b e rs t r o b e gs t r o b e b s u b f r a m e s s l s e n s o r 耥 oott- 箍黼。 。o- 堡璺墨髀0 1011 动电流值1 黎鬻0 1001 动电流值2 鉴璺蒌恁驱 100 11 动电流值1 萼璺曩建驱 10001 动电流值2 2 4 3s p i 输出电流值流程图 图2 1 4 给出了f p g a 在对l e d 输出电流值信息时具体的流程。 1 4 华东师范大学硕士学位论文 第二章系统结构及s p i 接口控制 强贻 黻攘绫j 晓绎包度抟 感器绷袋礴德 嗣蘩件嵇进行色域分 桥。列嘶怼汀经恧鬻 霸水莼灞内 报攒s t i ； o b e r ， 鹱辩髓j ， s t r o g e b 豹唿掣维套钕次输出 三i ! ；】r 、g 、b8 协垂 翁嚣确宅瀛痨 爨k 、舀。88 位 i l ：镱嚣动 毪漉魄 纸改输八i ) a 镌块 转羧成蠖缀俎 组r 、；、b 拨拟 级镑冉列 勰a x l 6 8 1 8 的v i n 螭 阮步时镑纭芍伞嬲 翩t 6 ，7 麟终囊 镟缎s lk u b e _ s ， s t r o p , f , 。靠、 s l l t o l 斑b 的 趋甲镪依次输出 三翱r ，6 、88 经绛 舷驻渤电流稳 - f t l r ，g b 鲢绽 络| 聱动l 毯流埠 敝次输入d 镌块 艇黢暖壤搬壤 图2 1 4f p g a 在对l e d 输出电流值信息时具体的流程 1 5 华东师范人学硕士学位论文第_ 章系统结构及s p ! 接口控制 2 5v e r i l o gh d l 硬件描述语言 v e r i l o gh d l 语言【9 】【1 0 】【11 】是g a t e w a yd e s i g na u t o m a t i o n 公司在19 8 3 年为其模拟 器产品开发时创建的硬件建模语言。v e f i l o g 语言于1 9 9 5 年成为i e e e 标准，称为 i e e es t d1 3 6 4 1 9 9 5 0 。2 0 0 1 年发布了v e r i l o gh d l1 3 6 4 2 0 0 1 标准。v e r i l o gh d l 这 种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建 模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的数字电子系统之间。 数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。它是目前应用 最广泛的一种硬件描述语言。 v e r i l o gh d l 硬件描述语言的特点： ( 1 ) 用户定义原语( u s e rd e f i n e dp r i m i t i v e ，u d p ) g , j 建的灵活性。用户定义原语既可以是 组合逻辑原语，也可以是时序逻辑原语；提供显式语言结构指定设计中的端口到端 口的时延及路径时延和设计的时序检查。 ( 2 ) 可采用三种不同方式设计建模。包括行为描述方式、结构化方式和混合描述。在 行为级描述中，v e f i l o gh d l 不仅能够在r t l 级上进行设计描述，而且能够在体系 结构级描述及算法级、行为级上进行设计描述。能够使用门和模块实例化语句在结 构级进行描述。 ( 3 ) 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次。设计的规模可以是任意 的。语言不对设计的规模施加任何限制。使用内置开关级原语可在开关级对设计完 整建模。还能显式地对并发和定时进行建模。设计能够在多个层次上加以描述，从 开关级、门级、寄存器传送级到算法级，包括进程和队列级。 ( 4 ) v e r i l a gh d l 设计方法与工艺无关，因而大大提高了v e r i l o g 模型的可重用性。 ( 5 ) v e r i l o gh d l 语言的描述能力能够通过使用编程语言接口( p r o g r a m m a b l e l a n g u a g ei n t e r f a c e ，p l i ) 机制进一步扩展。p l i 是允许外部函数访问v e r i l o g 模块内信 息、允许设计者与模拟器交互的例程集合。 ( 6 ) v e r i l o gh d l 能够监控模拟验证的执行，即模拟验证执行过程中设计的值能被监 控和显示。这些值也能用于与期望值比较，在不匹配的情况下，打印报告消息。 ( 7 ) 语言在特定情况下是非确定性的，即在不同的模拟器上模型可以产生不同的结 果。例如事件队列上的事件顺序在标