基于ARM和FPGA的DMD驱动波形实验平台设计与实现

　　提出了一种基于ARM和FPGA的数字微镜器件（DMD）驱动波形实验平台的设计，该设计由数字微镜驱动器和电压转换器两部分构成。阐述了数字微镜驱动器和电压转换器的硬件工作原理，以及ARM微控制器和FPGA的软件工作流程。实验结果表明，该系统能够达到预计的设计要求。

　　数字微镜器件DMD（Digital Micromirror Device）由美国德州仪器公司于1987年发明［1］，由其构成的成像系统具有体积小、重量轻、呈像色彩丰富、清晰度高等优点。应用十分广泛，已经由最初的投影、高清数字电视领域拓展到了立体显示、平面印刷等方面［2］。相对于国外的领先技术，我国在这方面的研究相对滞后，因此对数字微镜及其驱动技术的研究具有重要的意义。在数字微镜器件的驱动开发过程中，很重要的一个过程是寻找控制微镜翻转的最佳驱动波形和最优驱动电压。由于微镜制作工艺不同，物理特性各异，不同的产品需要不同的驱动波形来满足其驱动要求。目前的研究与开发中，缺少普适的驱动波形实验平台，而本文提出的设计满足了这方面的需求。

　　1 DMD的驱动原理及其驱动影响因素

　　1.1 DMD的驱动原理

　　数字微镜器件是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成［3］。将一个数字式光反射开关称为一个微镜单元。在呈像过程中，每个微镜单元对应了图像中的一个像素，通过控制微镜的旋转角度与时间来改变呈现的图像及其特性。图1为一个微镜单元的机械结构，微镜有3个微型电极，分别为：VON、VMIRROR、VOFF，其中VMIRROR为偏置电压，VON、VOFF为驱动电压。这3个微型电极可以被数字信号激活，控制微镜开关的电平可由式（1）和式（2）得到：

　　

　　当V开为高电平、V关为低电平时，镜片迎着光源（开启），将会有一个白色像素通过镜头反射到屏幕上;当V开为低电平、V关为高电平时，镜片避开光源（关闭），镜面像素在荧幕上的位置呈现深色。实现了通过数字信号调节微镜单元的翻转方向，进而改变呈像。为了产生灰度变化的图像，需要控制微镜开关状态的时间。通过控制高电平的持续时间，即改变驱动波形的占空比实现：V开保持高电平的时间长，则微镜开启时间也长，对应的灰度像素就浅；V关保持高电平的时间长，则微镜关闭时间也长，对应的灰度像素就深。微镜工作示意图如图2所示。

　　

　　1.2 DMD的驱动影响因素

　　在DMD芯片中，微镜是最小的工作单位，也是影响其性能的关键。DMD是微机电系统MEMS的一员，通过静电力的作用控制微镜的偏转［4］，因此微镜的工作性能与其制作工艺息息相关。在微镜翻转的过程中，微镜在机械结构限位和控制电压的作用下，最终稳定在相应的位置［5］，因此其机械结构与控制电压需要完美配合，才能保证微镜的完美工作。

　　通过上述分析可知，不同的制作工艺，不同的微镜机械结构都会对数字微镜器件的驱动波形提出不同的要求。针对不同的微镜，对应的最佳工作模式也有所不同，需要在驱动开发过程中寻找最佳的驱动波形模式。

　　2 系统功能与整体方案

　　2.1 系统功能

　　本系统由数字微镜驱动器和电压转换器两部分构成，实现驱动波形的设定、产生以及调整。其优点在于：（1）增强了系统的灵活性，方便扩展其他功能；（2）操作简单方便，可控性强。整个系统具有很强的可变性，针对不同的数字微镜器件，可以方便地设定驱动波形，调整驱动电压，进而确定最佳的工作状态，其中电压幅度范围可以达到10 V~60 V。

　　2.2 整体方案

　　系统整体设计分为两个部分：数字微镜驱动器和电压转换器。数字微镜驱动器主要完成接收PC的参数设定，产生波形、调整波形，其中与PC之间的通信是基于USB完成的。电压转换器主要完成驱动电压的转换，以及负载电流的采集与放大。

　　3 硬件电路设计与实现

　　3.1 数字微镜驱动器的硬件系统

　　数字微镜驱动器作为驱动波形实验平台的核心部分，其硬件系统如图3所示，该系统结合了ARM微处理器（S3C2440）与FPGA。ARM微处理器作为控制核心，主要实现以下功能： （1）与PC通信，实现对数字微镜器件驱动波形相关参数的编辑与输入；（2）与FPGA通信，传递目标驱动波形的相关参数以及控制指令； （3）控制光源控制器（色轮、LED、Laser）； （4）控制触摸屏，用于菜单显示、状态显示以及简单的控制与设置； （5）处理电流反馈信息，并及时调整驱动波形。本系统充分利用了ARM微处理器丰富的外部接口，包括触摸屏、USB接口等，很好地提高了系统的实用性，操作更为人性化。