沈倩文，劉一清

(華東師范大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200241)

數(shù)字微鏡器件DMD(Digital Micromirror Device)由美國德州儀器公司于1987年發(fā)明[1]，由其構(gòu)成的成像系統(tǒng)具有體積小、重量輕、呈像色彩豐富、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)由最初的投影、高清數(shù)字電視領(lǐng)域拓展到了立體顯示、平面印刷等方面[2]。相對于國外的領(lǐng)先技術(shù)，我國在這方面的研究相對滯后，因此對數(shù)字微鏡及其驅(qū)動技術(shù)的研究具有重要的意義。在數(shù)字微鏡器件的驅(qū)動開發(fā)過程中，很重要的一個過程是尋找控制微鏡翻轉(zhuǎn)的最佳驅(qū)動波形和最優(yōu)驅(qū)動電壓。由于微鏡制作工藝不同，物理特性各異，不同的產(chǎn)品需要不同的驅(qū)動波形來滿足其驅(qū)動要求。目前的研究與開發(fā)中，缺少普適的驅(qū)動波形實(shí)驗(yàn)平臺，而本文提出的設(shè)計(jì)滿足了這方面的需求。

1 DMD的驅(qū)動原理及其驅(qū)動影響因素

1.1 DMD的驅(qū)動原理

數(shù)字微鏡器件是一種基于半導(dǎo)體制造技術(shù)，由高速數(shù)字式光反射開關(guān)陣列組成[3]。將一個數(shù)字式光反射開關(guān)稱為一個微鏡單元。在呈像過程中，每個微鏡單元對應(yīng)了圖像中的一個像素，通過控制微鏡的旋轉(zhuǎn)角度與時間來改變呈現(xiàn)的圖像及其特性。圖1為一個微鏡單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)，微鏡有 3個微型電極，分別為：VON、VMIRROR、VOFF，其中VMIRROR為偏置電壓，VON、VOFF為驅(qū)動電壓。這3個微型電極可以被數(shù)字信號激活，控制微鏡開關(guān)的電平可由式(1)和式(2)得到：

圖1 微鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)

當(dāng)V開為高電平、V關(guān)為低電平時,鏡片迎著光源 (開啟),將會有一個白色像素通過鏡頭反射到屏幕上;當(dāng)V開為低電平、V關(guān)為高電平時，鏡片避開光源(關(guān)閉)，鏡面像素在熒幕上的位置呈現(xiàn)深色。實(shí)現(xiàn)了通過數(shù)字信號調(diào)節(jié)微鏡單元的翻轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而改變呈像。為了產(chǎn)生灰度變化的圖像，需要控制微鏡開關(guān)狀態(tài)的時間。通過控制高電平的持續(xù)時間，即改變驅(qū)動波形的占空比實(shí)現(xiàn)：V開保持高電平的時間長，則微鏡開啟時間也長，對應(yīng)的灰度像素就淺；V關(guān)保持高電平的時間長，則微鏡關(guān)閉時間也長，對應(yīng)的灰度像素就深。微鏡工作示意圖如圖2所示。

圖2 微鏡工作示意圖

1.2 DMD的驅(qū)動影響因素

在DMD芯片中，微鏡是最小的工作單位，也是影響其性能的關(guān)鍵。DMD是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的一員，通過靜電力的作用控制微鏡的偏轉(zhuǎn)[4]，因此微鏡的工作性能與其制作工藝息息相關(guān)。在微鏡翻轉(zhuǎn)的過程中，微鏡在機(jī)械結(jié)構(gòu)限位和控制電壓的作用下，最終穩(wěn)定在相應(yīng)的位置[5]，因此其機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制電壓需要完美配合，才能保證微鏡的完美工作。

通過上述分析可知，不同的制作工藝，不同的微鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)都會對數(shù)字微鏡器件的驅(qū)動波形提出不同的要求。針對不同的微鏡，對應(yīng)的最佳工作模式也有所不同，需要在驅(qū)動開發(fā)過程中尋找最佳的驅(qū)動波形模式。

2 系統(tǒng)功能與整體方案

2.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)由數(shù)字微鏡驅(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動波形的設(shè)定、產(chǎn)生以及調(diào)整。其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，方便擴(kuò)展其他功能；(2)操作簡單方便，可控性強(qiáng)。整個系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可變性，針對不同的數(shù)字微鏡器件，可以方便地設(shè)定驅(qū)動波形，調(diào)整驅(qū)動電壓，進(jìn)而確定最佳的工作狀態(tài)，其中電壓幅度范圍可以達(dá)到 10 V～60 V。

2.2 整體方案

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為兩個部分：數(shù)字微鏡驅(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器。數(shù)字微鏡驅(qū)動器主要完成接收PC的參數(shù)設(shè)定，產(chǎn)生波形、調(diào)整波形，其中與PC之間的通信是基于USB完成的。電壓轉(zhuǎn)換器主要完成驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)換，以及負(fù)載電流的采集與放大。

3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字微鏡驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)

數(shù)字微鏡驅(qū)動器作為驅(qū)動波形實(shí)驗(yàn)平臺的核心部分,其硬件系統(tǒng)如圖3所示,該系統(tǒng)結(jié)合了ARM微處理器(S3C2440)與FPGA。ARM微處理器作為控制核心，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)與PC通信，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字微鏡器件驅(qū)動波形相關(guān)參數(shù)的編輯與輸入；(2)與FPGA通信，傳遞目標(biāo)驅(qū)動波形的相關(guān)參數(shù)以及控制指令；(3)控制光源控制器(色輪、LED、Laser)； (4)控 制觸 摸屏 ，用 于菜單顯 示 、狀態(tài)顯示以及簡單的控制與設(shè)置；(5)處理電流反饋信息，并及時調(diào)整驅(qū)動波形。本系統(tǒng)充分利用了ARM微處理器豐富的外部接口，包括觸摸屏、USB接口等，很好地提高了系統(tǒng)的實(shí)用性，操作更為人性化。

圖3 數(shù)字微鏡驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)框圖

FPGA是本系統(tǒng)的另一個核心處理器，與ARM微處理器相比具有同步性好、精確度高、可靠性好等特點(diǎn)，更加適合用于最終產(chǎn)生驅(qū)動微鏡進(jìn)行快速翻轉(zhuǎn)的驅(qū)動波形，本文所選用FPGA的時鐘為100 MHz，滿足了驅(qū)動波形的編輯需求，并且波形的編輯簡單、操作容易，便于開發(fā)者方便快捷地確定微鏡的最佳驅(qū)動波形。

3.2 電壓轉(zhuǎn)換器的硬件實(shí)現(xiàn)

電壓轉(zhuǎn)換器用于將FPGA輸出的3.3 V的CMOS驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成電壓幅度,滿足微鏡陣列驅(qū)動要求的驅(qū)動波形，圖4所示為電壓轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換原理圖。在本電路中，選用IR2105作為MOS管的驅(qū)動芯片。這是一款高電壓、高速度的MOS管驅(qū)動芯片，其輸入的邏輯電平與CMOS電平以及TTL電平相兼容。因此，F(xiàn)PGA的輸出信號可直接作為IR2105的輸入信號，其輸出信號HO與輸入信號的相位一致，LO與輸入信號的相位相反。當(dāng)輸入信號為高電平時，HO為高電平，LO為低電平，此時，Q1導(dǎo)通，Q2截止，輸出高電平(VCC)；當(dāng)輸入信號為低電平時，HO為低電平，LO為高電平，此時，Q1截止，Q2導(dǎo)通，輸出低電平(0 V)。因此輸出端得到高電平為 VCC，低電平為0，與輸入信號同相的驅(qū)動波形。其中VCC可以通過外加電源直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，高電平的調(diào)節(jié)范圍取決于所選擇的MOS管漏極能承受的最大電壓,因此10 V～60 V的電壓幅度范圍可以輕松實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸出電壓為VCC時，根據(jù)式(3)可知，負(fù)載電流只與負(fù)載有關(guān)，具有很強(qiáng)的電流驅(qū)動能力。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)方案

4.1 ARM微處理器的控制功能

ARM微處理器作為控制的核心，其控制流程主要包括：光源的控制與檢測、負(fù)載電流的檢測、控制菜單的顯示、觸摸屏的控制以及驅(qū)動波形主要參數(shù)的編輯與傳遞。

在主函數(shù)執(zhí)行的操作：對控制界面以及數(shù)字微鏡的狀態(tài)進(jìn)行初始化；啟動光源并檢測其工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即關(guān)閉光源；系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)工作和檢測狀態(tài)，主要包括控制界面的檢測、負(fù)載電流的檢測以及光源的檢測。根據(jù)控制界面的檢測結(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的指令(改變參數(shù)、控制微鏡開關(guān)等)；分析負(fù)載電流的反饋大小調(diào)整驅(qū)動波形；光源工作異常時，及時退出循環(huán)，關(guān)閉光源。

4.2 FPGA的工作流程

在波形發(fā)生器的工作過程中，F(xiàn)PGA主要用于根據(jù)驅(qū)動波形的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的驅(qū)動波形，其工作流程如下：置數(shù)字微鏡于“關(guān)”的狀態(tài)，當(dāng)ARM微處理器有指令或參數(shù)傳遞時，執(zhí)行相關(guān)指令。其中，ARM微處理器傳遞給FPGA的指令與參數(shù)包括驅(qū)動波形的基本信息與參數(shù)、波形的產(chǎn)生與停止控制等。

整個實(shí)驗(yàn)平臺充分利用了ARM微處理器強(qiáng)大的驅(qū)動和通信能力，以及FPGA準(zhǔn)確、快速的優(yōu)勢。在保證了驅(qū)動波形的準(zhǔn)確性與多變性的同時,更加方便和人性化。

5 測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了如圖5所示的操作界面，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動波形相關(guān)參數(shù)(頻率和占空比)的編輯與更改、負(fù)載電流以及光源控制器工作情況的顯示、系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制等。

圖5 觸摸屏操作界面

圖6給出了通過實(shí)驗(yàn)平臺產(chǎn)生的驅(qū)動波形，其中波形的占空比以及電壓幅度都是可以改變的，進(jìn)而得到形態(tài)各異的驅(qū)動波形。

圖6 驅(qū)動波形

本文提出了一種數(shù)字微鏡驅(qū)動波形實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)將ARM微處理器與FPGA相結(jié)合，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，并通過電壓轉(zhuǎn)換器對電平進(jìn)行變換。最終實(shí)現(xiàn)了一個波形準(zhǔn)確可變、界面友好便捷、適用廣泛的數(shù)字微鏡驅(qū)動波形實(shí)驗(yàn)平臺，為數(shù)字微鏡驅(qū)動的開發(fā)提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺。

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