数字微镜DMD光调制系统XD-ED01N_V2.4.docx

上海辛同信息科技有限公司上海辛同信息科技有限公司专注于高新技术的研发，特别是在空间光调制器DMD（数字微镜）的核心控制电路的开发上，在国内独树一帜。本公司定位于DMD的高端应用，能够实现对DMD芯片的灵活控制， 其中包括内外同步、微镜任意时间锁定及高帧频控制等关键技术。DMD技术发展的历史并不长，但这是一项学科交叉性和综合性都很强且极具发展潜力的高新技术。通过对DMD关键技术研究及开发，可以带动一些重要的基础性课题研究，同时在DMD相关产业能够协助客户加速设备研发进程，提高设备性能。2011年9月数字微镜DMD空间光调制器开发系统系列产品上海辛同信息科技有限公司已开发出系列的DMD开发系统，用户可根据需要选择不同的系统。公司也可应用户设备需求，与客户合作专门开发特定的DMD开发系统。1、XD-D01型DMD开发板（停产）供电方式12V、5V、3.3V下载方式USB数据下载调制方式二进制光学调制全屏帧频150Hz（实时）同步方式内同步、外同步DMD连接方式分离式 XD-D01型DMD开发板是第一代产品，尺寸较大，供电方式与市场上常用的DLP模式DMD开发板相似，需要多种电源供电。该产品目前已用XD-SD02(N)型代替。2、XD-SD02(N)型DMD开发板供电方式单5V供电下载方式USB数据下载调制方式二进制光学调制全屏帧频150Hz（实时）同步方式内同步、外同步DMD连接方式板载式、分离式XD-SD02(N)型DMD开发板是第一代产品优化后的产品，尺寸进行了优化，同时只需一个5V便携电源供电和一根USB线缆即可工作。同步信号采用了SMA线缆，更适合于工业设备的研制，甚至可作为用户设备的嵌入式小系统。增加了非全屏高帧频显示，微镜0度复位功能，以及内同步脉宽可编程设置等功能。SD02N型是DMD分离式的产品，便于光学光路的调整。该款产品适用于需要大批量数据显示的场合。3、XD-ED01(N)型DMD开发板供电方式单5V供电下载方式USB数据下载调制方式二进制光学调制帧频1000Hz同步内同步、外同步DMD连接方式分离式缓存大容量板载内存XD-ED01(N)是增强型DMD开发系统，带有板载DDR2内存，可以实现图像以超过1000Hz的速度循环播放。由于有了缓存，实时外触发方式也更有了可靠性上的保证。该产品非常适合于高速结构光扫描设备。4、XD-EXD01N（研制中）供电方式单5V供电下载方式USB数据下载调制方式二进制、灰度帧频2000Hz同步内同步、外同步DMD连接方式分离式缓存大容量板载内存具有两个FPGA，一个核心的DMD驱动FPGA，一个用户可编程FPGA，让用户参与编程，灵活实现各种功能，同时提供FPGA中USB数据收发程序和DDR2 SDRAM数据收发等程序。5、XD-GED01N型DMD开发板供电方式单5V供电下载方式USB数据下载调制方式二进制/灰度光学调制帧频256灰度12Hz同步内同步DMD连接方式分离式缓存板载SRAMXD-GED01N是灰度型DMD开发系统，带有板载SRAM内存，可以实现图像以11024灰度级的图像播放。由于采用USB下载图像数据，因此灰度帧频比较低。256灰度大概可以达到12Hz的帧频，1024灰度的有3Hz帧频。下载图像后单帧显示图像帧频可以达到100Hz以上。该文档介绍的DMD开发套件，都包括软件、驱动、固件和硬件。该套件采用的DMD是0.7 XGA DDR DMD，具有高速板载内存，可实现预下载高速循环播放，同时具有内外同步等功能。XD-ED01N：DMD分离式，通过高密度数据线与控制板相连，这样便于在高精密光学试验中进行光路调整。DMD分离式版本见下图。XD-ED01(N)特点：l 大容量板载内存l 超高帧频l 功能灵活强大l 精确的内外同步一、主要性能参数1、阵列大小：1024x768，对角线长度0.7英寸。2、微镜尺寸：13.68x13.68微米，微镜的间隙非常小，在1微米以内。3、翻转角度：+12、0和-12。4、对比度：超过2000：1。5、波段：350nm2700nm 可见光 （常规）。6、微镜二进制翻转频率：全屏大于1000Hz循环播放，播放帧频可设置。7、通过USB 2.0下载数据信息。8、具有内同步和外同步功能，同步脉冲电平标准为CMOS33，3.3V。9、具有板上可验证功能：通过拨码开关即可验证系统DMD调制好坏。10、微镜任意时间锁定。11、通过串口实现对同步脉冲宽度的设定以及存储帧数的设定。12、可通过串口的方式实现对DMD微镜的0度角复位。新增功能：时间功能2011年9月修改了对于同步信号的误描述，老版本文档对内外同步的定义反了2011年10月1、增加了地址复位功能，用户重新下载数据时不再需要断电，只需写一个控制寄存器即可回到板上内存的零地址2、修正了循环播放时最后一帧的bug2011年12月1、 增加了循环播放和单周期播放的设置2、 单周期播放模式下，播放完毕通过串口向主机发送一个命令3、 下载帧数设置可任意设置，老版本的是实际帧数为设置值的10倍2012年2月1、 增加了对内存的指定地址读写功能2、 同步脉宽设置有所改动3、 各个寄存器的地址有改动2012年5月1、 修正了前面四行显示不对的bug2、 增加了命令设置反馈，用户发送命令时，会返回一个相同命令3、 内外同步增加了上下拉4、 增加了存储器可设置阈值上报功能2012年7月1、 修正了在循环显示模式下，缓存设置成2时只能显示一帧的问题2、 增加了循环模式和停止开始显示对外同步下一样起作用二、技术背景DMD是TI公司针对视频应用开发的，TI公司采用了DLP的架构，对于DMD的数据传输格式及控制方式是保密的。这种基于DLP架构的系统控制方式单一，帧频低，用户输入的任何图像，系统都会按256灰度进行显示，微镜的翻转不能自由灵活控制。这种架构的DMD开发板采用了DDP控制芯片，如下图所示：用户在选购时一定注意是否采用了这种架构，在一些特殊应用中，这样的控制方式就显示出不足：在激光调制应用中，要求能够自由控制二进制微镜翻转的时间。在压缩成像/关联成像/量子成像应用中，要求微镜翻转的时间快速并且尽量等间隔，同时要求微镜翻转后能够给出同步信号，以便于CCD的图像采集。在激光光刻领域，目前国际上主要有步进光刻和飞行光刻曝光方式，这两种方式都需要微镜绝对锁定功能和同步功能的支持，飞行光刻方式还需要高帧频的支持，才能达到最好的光刻效果。还有在其它高级的二元光学的应用等等，用户无法对DMD进行随心所欲的操作。主要存在以下问题：（1）、二进制图像显示的时间长短无法控制。基于DLP架构的DMD系统总是认为收到的是256灰度的图像，因此，尽管用户想送的是二进制图像，它仍然会在特定的时间去复位DMD，使微镜回复到平态，尽管肉眼看不出来，但是在一帧图像中在不等间隔的时间复位超过8次（原理上是8次，由于TI为了改善视频效果，采用了视频编码技术，实际复位次数超过8次），这极大地影响了光调制的效果，特别是在一些短脉冲、超短脉冲及高精度应用下。（2）、很多光调制系统中，需要采用CCD采集调制后的光。而基于DLP架构的DMD系统无法精确给出反射图像的同步信号，因此而导致CCD采集到的图像效果不理想。（3）、无法保证微镜的锁定状态。（4）、如果想要实现任意灰度等级的调制，基于DLP架构的DMD系统无法实现。而目前市面上所有采用DMD开发的系统或开发板基本上都是采用TI套片开发的，无法解决以上提出的问题。因此如何实现对DMD的完全自主控制，才是改进其在光调制领域应用的根本办法。针对这些问题，公司投入大量精力进行核心技术研发，其中以下几个关键点的确立为很多场合的光学应用提供了优势：1、可实现微镜的任意时间自由锁定。当DMD显示当前二进制图像时保持微镜锁定，只有当用户输入下一帧数据时才使微镜转动，或者可由由用户定义锁定时间，否则微镜一直锁定；2、具有内同步和外同步功能：A、外同步：由用户同步信号触发微镜翻转，显示下一帧数据；B、内同步：微镜翻转稳定后本系统给出同步信号，同步信号脉宽可调整，以保证同步触发用户采集设备。3、高速的翻转频率：最高可达到超过1000Hz的全屏翻转频率。若只是局部显示，帧频还可以更高。4、微镜0度复位功能。5、提供用户FPGA，让用户参与编程，灵活实现各种功能。三、DMD简介数字微镜器件是一种新型、全数字化的平面显示器件，应用MEMS（Micro Electromechanical System，微电子机械系统）的工艺将反射微镜阵列和CMOS SRAM集成在同一块芯片上。数字微镜是铝合金材质，一个微镜代表一个像素，每个微镜的尺寸为13.68x13.68，微镜间间隔小于1，每个微镜都有12的偏转角分别对应“开”态和“关”态。DMD器件真正实现了全数字方式控制图像的灰度等级，称为二进制脉宽调制（PWM）技术。通过这种技术，可将输入DMD的视频或图像信号转换成层次丰富的灰度图像。二进制PWM表达方式如图1所示，称之为PWM方式。二进制PWM调制公式为：。其中，N是像素的灰度等级，是每个bit像素的权重，是最低bit位（LSB）的显示时间。以5bit像素为例，图中黄色代表微镜开的时间，白色代表微镜关的时间，可以看到二进制01111b在低4位微镜处于开的状态，开的时间占帧时的48%，而二进制11010b微镜开的时间占了帧时的84%。人类的视觉系统将脉冲式的光累积（积分效应）就得到灰度图像。本质上说，灰度取决于微镜开的时间。二进制PWM控制方式当DMD的每个镜子都处于开态或关态时整个DMD相当于一个二维闪耀光栅，其闪耀特性可用闪耀光栅的衍射原理进行解释。数字微镜具有开关速度快，高亮度, 对比度高（2000：1 以上）和高可靠性 (40万小时平均无故障时间，可见光工作，低于55 摄氏度工作环境温度)。基于数字微镜工作的光学光路结构简单，易于实现。这些优点使得DMD成为最优秀的空间光调制器之一。非常适合高精度光学科研实验。不仅已成功应用于高清电视(HDTV)、数字影院等，近几年其应用领域得到较大扩展，在光纤通信网络的路由器、衰减器和滤波器、数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、快速原型制造系统、物体三维轮廓测量仪、全息照相、数字图像处理联合变换相关器、光学神经网络、光刻、显微系统中的数字可变光阑以及空间成像光谱等领域都得到了成功的应用。 DMD实物图四、产品照片以及主要芯片和接口XD-ED01(N)型：XD-ED01(N)型开发套件包括：l 一块DMD控制板l 一块DMD小板(XD-ED01N型需要) l DMD套件（DMD、底座和铝合金固定架）l 应用软件源代码及API函数l USB驱动l USB线缆l 5V 2A电源l SMA同步线缆1. DMD：0.7XGA DDR DMD，1024x768像元，微镜大小1.368um x 13.68um，微镜间距小于1um，有效镜面大小14.008mm x 10.506mm;2. DAD：为DMD提供高电压源及微镜的复位驱动功能;3. USB：支持USB2.0的高速传输，从主机下载图像到DMD控制板上;4. FPGA：对USB接口进行控制，实现图像接收，对DMD和DAD进行核心驱动控制;5. DDR2内存：用于存储从主机下载的二值图像；6. 内同步：微镜显示稳定后送出同步信号来同步用户设备，电平标准CMOS33，3.3V。同步脉冲宽度可通过软件设置;7. 外同步：用户同步信号来触发DMD显示，上升沿触发，电平标准CMOS33,3.3V；8. 电源：单电源供电： 5V2A。9. 串口：串口波特率19200，E偶校验，8位位宽，停止位1。电路总框图如下图所示：五、光路配置请根据具体应用配置光路，光源沿着实际DMD芯片的IN标志角入射。如下图所示，搭建光路时应注意：1、入射光应与微镜表面的法线成24度角入射效果最好。2、入射光与镜面入射角成45，注意，并非是从对角线入射。3、接收光路放在与DMD镜面垂直处接收光。光路示意图本系统的光线入射角如图所示：注1：入射到DMD光源应均匀，最好采用匀光棒将光线均匀化。注2：采用大功率光源照射DMD请参阅DMD datasheet中对于功率的限制。六、操作步骤1、正确连接数据线和DMD电源线，数据线的对应连接方式见下图（XD-ED01N型）。数据线长度为25厘米左右。注意：在拆除和安装数据线时应轻轻将压杆拔出，将数据线对准然后将压杆压上，切不可用力过大。尽量减少数据线的插拔。2、连接串口、USB线缆和主电源：可使用普通常用的5V，电流大于2A的电源。3、同步信号同步信号脉冲宽度为可通过串口设置。内同步信号从电路板上SMA插座J5输出，外同步信号从板上的SMA插座J6输入。内同步信号宽度默认为200微妙左右，上升沿触发有效，可通过串口更改其高脉冲宽度。 外同步信号下降沿触发。同步信号在FPGA内部设置上下拉。注意：请尽量不要拆卸DMD安装铝架，如果要拆卸，安装时不要过于用力拧螺丝，安装完毕需要测试3.3V和地（GND）,以及VCC2和地（GND）是否短路，如下图所示：TP16测试孔是地（GND），TP12是3.3V,TP1是VCC2。如果短路，需要将DMD安装铝架拧松重新安装！测试时请将串口断开。4、电路板正常工作检查：1）、上电后LED灯D3、D4会闪烁，说明FPGA已正常配置。2）、将拨码开关SW1的1拨到ON端，同时拨动2、3，DMD可显示不同的条纹图像，说明DMD的驱动正常。从主机下载程序时，应将SW1的1拨回1端。板上测试时微镜是以最高帧频翻转的，并不处于锁定状态。从主机下载图像时是锁定状态，用户可对两者进行对比。5、驱动安装：将USB插入PC机后会跳出显示安装USB驱动，将路径指向CyUSB.inf和CyUSB.sys两个文件即可成功安装完电路板的驱动（具体见软件编程说明）。6、数据格式：最终DMD下载的数据是一个bit对应DMD器件上的一个微镜（像素），按行顺序读出，即先读第一行（1024个bit），再读第二行。具体数据格式见编程说明。注：偶尔上电出现会有横条纹的情况，掉电15秒左右重新上电即正常。注意：使用电路板时一定要注意，不可将电路板直接放置在金属台面上，禁止金属物件直接与电路板多个部位直接相连，防止电路板短路！七、几项关键参数1、微镜不稳定时间 ED01(N)型DMD开发板保证DMD微镜在图像显示时的锁定状态。锁定状态时微镜的角度保持等参数满足TI公司DMD产品的参数指标。从一帧图像切换到另一帧图像时，有12微秒左右的翻转不稳定时间。如图所示，在DMD为低时微镜处于锁定状态，如b点和c点之间，ab和cd是微镜的翻转时间，为12微秒左右，除了在ab和cd这种翻转时刻，微镜都处于锁定状态。2、内同步输出宽度及时间内同步输出的是高电平脉冲，脉冲宽度默认情况下是200微秒左右，可通过串口修改其脉冲宽度。电平标准是CMOS 3.3V。内同步信号是在所有微镜完全锁定后给用户的，用户在收到内同步的上升沿起即可对DMD图像进行采集。如图所示，a点是微镜开始翻转，到b点微镜稳定，a点到b点时间为12微秒左右。c点为DMD驱动板给出内同步的时刻。b点到c点时间可由用户提出，正常情况下是1微秒。3、外同步时序外同步脉冲输入以上升沿为有效触发，脉冲宽度要大于1微秒，外同步电平标准是CMOS33。DMD驱动板在收到外同步信号上升沿后从板上DDR2内存中读取一帧DMD数据写入到DMD缓存中，然后驱动DMD显示，这个过程需要460微秒左右的时间。也就是说用户在给出同步脉冲后460微秒DMD的图像输出才是稳定的当前图像。如图，从用户给出外同步信号（a点），到d点一帧图像才被稳定触发显示，ad的时间为460微秒。DMD在c点之前显示的上一帧图像。ab宽度需大于1微秒。八、控制软件控制软件基于Windows XP 高速USB 驱动,分别有C+Builder和Visual C+6.0 版本软件,开放式接口,易于扩展。USB驱动支持.net开发，适用于VC6.0、Vs2008、Vs2010、C+Builder等开发环境。1、配套PC软硬件要求CPU：1GHz Pentium processor or equivalent 内存：512Mbytes RAMUSB：USB 2.0 port 硬盘：Hard disk drive with additional 40 Gbytes of available disk space 显示器：1024x768 recommended 操作系统：Windows 2000 or XP2、控制软件介绍（VC + 6.0应用程序）：l 模式选择：具有内同步和外同步功能。内同步模式下要设置内同步发送的帧频，外同步模式下由用户的触发信号来触发显示。选中循环显示时在板上内存中的图像连续循环的显示，不选循环显示为单周期显示模式，这时程序播放到用户设置的帧数即停止播放，并向主机发送命令0xA1。l 帧频设置：用户设置需要的帧频，帧频设置分31个档，具体见下节。l 串口设置：选择当前主机用的串口号，将串口打开，默认情况下程序初始化串口1。l 脉宽设置：设置内同步模式下输出给用户的同步信号的脉宽。l 循环帧数：用户可设置存储和循环播放的帧数，范围从1到1023。对于512M内存的版本，最大帧数是666帧。l 内存管理：用户可以设置读内存或写内存的地址，然后再开始读操作或者写操作。地址的形式是帧。同时用户可以设置内存数据读出的阈值（单位：帧），当读出的帧数到达阈值时，开发板会向上位机返回一个0xA2，然后计数器清零，当下次读取帧数到达阈值时，会继续向上位机返回0xA2，如此循环。l 地址复位：把内存读地址和写地址全部复位到0地址。l 打开文件：连续下载和单帧下载时首先需要打开发送的文件图像（附件中有一个文件名位aa200frame_1的数据文件可用来测试，这个文件是一个200帧的条纹扫描图像）。l 连续下载：连续下载功能是可以打开一个特定格式的.dat文件，然后下载到板载DDR2内存中；下载时应先停止显示，等下载完毕再开始显示；l 单帧下载：单帧下载功能是打开一个多帧的.dat文件，然后点击一次单帧下载就送一帧图像到板载DDR2内存中，直到文件发送完毕。l 复位DMD：使DMD微镜全部回到0度角，此功能不推荐使用。l 开始显示：启动DMD按用户选择的模式开始显示。l 停止显示：停止DMD显示。l 文件转换：用户生成1字节对于一个像素（只有最低位有效），通过应用程序的文件转换功能生成DMD对应的1bit一个像素的格式，生成的文件保存在VC应用程序源代码目录下。进行文件转换的文件大小要小于2.5G bits。l 下载位图：这个功能可直接下载.bmp格式的图像到板载内存中，bmp图像必须为1024x768大小，且必须是黑白图像属性；同时软件界面也会显示相同图像进行验证。此功能可说明DMD图像显示的正确性。l 条纹下载：条纹下载功能主要是从主机发送一幅条纹图像到板载DDR2内存中。l 数据生成：在编辑框输入生成数据的帧数，生成的数据在软件源代码目录中，命名为：GenFrame.dat。生成64x64微镜拼接成亮点，从左到右扫描的图像数据。这个生成的数据是一个字节对应一个微镜像素的，因此还需要进行文件转换。点击“文件转换”选中GenFrame.dat，就会在相同目录下生成fread.dat文件，这个数据文件为最终生成的数据，可直接打开下载到DMD板上。l 关闭：关闭程序注：所有上位机向开发板发送的命令，开发板会返回一个相同的命令，表明数据已经收到。3、软件操作步骤（1）、打开USB_SEND.exe可执行程序（2）、程序执行时自动初始化串口和USB设备，初始化不成功会弹出对话框提示。如果是USB初始化失败，那么请确认USB线缆是否连上，设备是否已经上电，USB驱动是否安装成功。如果是串口初始化失败，那么请确认电脑可用的串口号是多少，应用程序默认的串口号是1号，如果当前电脑不是1号串口，那么可通过应用程序界面上的串口设置进行设置。串口默认设置为：波特率19200，偶校验，8位位宽，停止位1。请在设备管理器中查看本机的串口号是多少，如果超过4，可以将串口端号设置在4以内。（3）、程序正常启动后请选择同步方式和播放方式，默认情况下为内同步、单周期播放模式。内同步方式根据用户设定的帧频自动从板载内存中播放读出图像播放；外同步方式是根据用户给的脉冲上升沿触发从板载内存中读出图像显示。循环显示模式勾选后在内同步模式下会自动根据用户设定的帧频按顺序循环读取板载内存的图像数据播放，外同步下则根据用户的外同步脉冲按顺序循环读取板载内存的图像数据播放。循环显示功能对内同步模式和外同步模式都起作用。（4）、设置DMD显示的各个参数，每次设置之前应先停止DMD的显示，然后设置DMD的帧频、循环帧数、脉冲宽度等。默认帧频为1Hz，低帧频时可通过肉眼验证下载图像数据的正确性。帧频设置：范围从最低0.5Hz到最高2000Hz。设定值12345678帧频2000Hz1800Hz1600Hz1400Hz1200Hz1000Hz800Hz600Hz设定值910111213141516帧频400Hz300Hz200Hz180Hz150Hz120Hz100Hz90Hz设定值1718192021222324帧频80Hz70Hz60Hz50Hz40Hz30Hz20Hz15Hz设定值25262728293031帧频10Hz8Hz5Hz4Hz2Hz1Hz0.5Hz循环帧数设定：从最低1帧到最高1024帧。512M内存时最高帧频为666帧。循环帧数设定后，如果下载图像帧数超过循环帧数，就会循环覆盖最初的图像数据；同理，显示时显示到最后一帧后又会从第一帧开始显示。例：设置成5，DMD循环帧数为5帧。同步脉宽设定：脉宽范围从200微秒到51.2毫秒。默认脉宽为200微秒。脉冲宽度计算方法是：设定值x212/ 20 微秒。最大设定值为256，最小设定值为1。同步脉宽必须与帧频相匹配，比如当帧频设置为1Hz时，那么同步脉宽不允许超过1秒。例：设定值为15，那么同步脉冲宽度为：15x4096/20=3072微秒。（5）、内存管理写入地址后再点击写地址或者读地址，就设置了相应的地址。当选择了写地址，那么图像下载就将所设置的地址作为起始地址按顺序存放。如果选择了读地址，那么图像显示的操作都会将所设置的地址作为图像显示的首地址，然后按顺序播放。例1：设定值为