陳 春 ，朱向冰 ，朱 騫 ，武 漢

（1.安徽師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.省部共建現(xiàn)代顯示技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 蕪湖 241000；3.特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室安徽 蕪湖 241000）

DLP投影技術(shù)是應(yīng)用美國德州儀器公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件——DMD（Digital Micromirror Device）作為主要關(guān)鍵處理元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過程的技術(shù)[1]。DLP顯示的色彩清晰度高、艷麗、細(xì)膩、逼真，且為全數(shù)字顯示即可靠性極高，能在各類產(chǎn)品（如大屏幕數(shù)字電視、公司/家庭/專業(yè)會(huì)議投影機(jī)和數(shù)碼相機(jī)（DLP Cinema））中提供最佳圖像效果[2]。目前，大部分的家用或商用DLP投影機(jī)都采用了單片結(jié)構(gòu)，使得其便于移動(dòng)攜帶，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在目前應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)上，又對(duì)其結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)性、攜帶的方便性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的DLP投影儀是通過DVI接口接收外部信號(hào)，并且經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換傳送給DLP控制器來控制DLP的顯示，占用的空間較大，接收信號(hào)的模式較局限，難以整合到現(xiàn)有儀器設(shè)備中，如果能將現(xiàn)有儀器設(shè)備中的數(shù)字信號(hào)直接發(fā)給DLP，而不經(jīng)過多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，則能減小體積和降低成本，并能將DLP方便的整合到儀表儀器中。

DLP投影儀使用三色LED作為光源，對(duì)LED的選擇也至關(guān)重要，近年來由于RGB三色LED在散熱、可靠度、色彩飽和度以及能源效率上超越了其他發(fā)光器件，照明設(shè)計(jì)中對(duì)其的使用也越來越普遍[3]。目前許多LED器件制造商都使用獨(dú)立的紅光、綠光和藍(lán)光LED組合來提供所需的色彩，在應(yīng)用上使用分立的LED封裝存在一些缺點(diǎn)，例如為了符合封裝結(jié)構(gòu)所造成的空間浪費(fèi)，以及使分離較遠(yuǎn)的光源取得有效色彩混合而需要的額外努力，因此需要一種整體封裝的LED芯片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的獨(dú)立光源，即單一封裝內(nèi)集成紅光、綠光和藍(lán)光LED芯片的產(chǎn)品，其中每一個(gè)LED芯片都可以獨(dú)立控制，提供各種不同的色彩輸出[4]。

文中以DLP1700為例，從信號(hào)輸入控制和顯示的光源這兩方面對(duì)傳統(tǒng)的DLP投影系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，顯示的光源方面采用大功率RGB三色LED替代傳統(tǒng)的多顆單色LED，信號(hào)輸入控制方面，取消傳統(tǒng)的DVI接頭、MSP430，用帶有I2C功能的Stm32單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)和圖像信號(hào)直接控制DLP1700的控制器DLPC100，進(jìn)而控制DLP1700的顯示。該設(shè)計(jì)能使DLP顯示儀硬件電路結(jié)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，電路控制更易于實(shí)現(xiàn)，能夠方便的整合到各種儀器中。

1 信號(hào)輸入控制

傳統(tǒng)的數(shù)字微鏡顯示技術(shù)的信號(hào)輸入端是由DVI接口提供圖像信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)，由MSP430單片機(jī)對(duì)DLPC100進(jìn)行基本的控制，且是通過I2C總線進(jìn)行控制信號(hào)的傳輸，整個(gè)過程涉及的芯片較多，線路較復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)中我們采用基于Cortex M3內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)對(duì)信號(hào)輸入部分進(jìn)行改進(jìn)，將Stm32發(fā)送的圖像信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)傳送給DLPC100，來控制DLP1700的顯示和LED的驅(qū)動(dòng)。因?yàn)镾TM32內(nèi)部本身攜帶有I2C總線接口，即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MSP430和I2C總線對(duì)DLPC100內(nèi)部進(jìn)行一系列的控制。具體的電路連接方框圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)輸入電路被替代部分Fig.1 Replaced part of signal input circuit

2 顯示光源

用整體封裝的RGB三色LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的獨(dú)立封裝的多顆LED，與分立封裝器件比較，這樣的做法可以讓光源更加緊湊，并且大幅度縮小每個(gè)獨(dú)立光源間的距離。要取得良好的色彩混合，LED光源的最大間距不能超過5 mm，三合一作法可以將這個(gè)距離縮小到只有1.5 mm。在LED間距縮小后，有效進(jìn)行色彩混合的所需區(qū)域也可以同時(shí)縮小。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這種整體封裝的LED在散熱方面也有著良好效率[5-6]。

文中設(shè)計(jì)采用的是安華高科技有限公司的Moonstone系列3W RGB三色LED，該光源具有光強(qiáng)更高、體積更小的特點(diǎn)。RGB三色LED光源性能參數(shù)如表1，單片RGB三色LED光源可替代傳統(tǒng)的鹵鎢燈和多顆單色LED光源，達(dá)到相同光效所用的空間面積只有普通白光LED的幾分之一，是傳統(tǒng)鹵鎢燈的幾十分之一。

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，按照光源性能的參數(shù)對(duì)光源進(jìn)行建模，RGB三色LED光源的模型如圖2所示。圖中三顆單色LED發(fā)光芯片的尺寸分別為0.8×0.8 mm2，單色光源分別為1個(gè)藍(lán)色發(fā)光芯片，1個(gè)綠色發(fā)光芯片和1個(gè)紅色發(fā)光芯片，分布情況見圖2。光源出射角度為120°，出射光按表1提供的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。利用該光源設(shè)計(jì)投影儀、背投電視、大屏幕顯示等的照明系統(tǒng)可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、體積減小、操作方便。

表1 RGB三色LED光源性能參數(shù)表Tab.1 Performance parameter table of RGB LED light source

圖2 RGB三色LED的排列Fig.2 Arrangement of RGB three colour LED

3 電路原理及整體電路圖

傳統(tǒng)的DLP1700顯示系統(tǒng)電路圖如圖3所示，圖中信號(hào)輸入用到DVI接口、MSP430單片機(jī)、I2C總線，線路控制比較復(fù)雜；右邊從DLPC100輸出的RGB EN和RGB PWM信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制多顆單色LED。改進(jìn)后的系統(tǒng)電路如圖4所示，由STM32單片機(jī)控制DLPC100并輸入數(shù)據(jù)信號(hào)給DLPC100，繼而驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)DLPC100對(duì)輸入的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖5所示的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、信號(hào)增強(qiáng)、DMD格式轉(zhuǎn)換等處理后將信號(hào)傳送給DMD芯片DLP1700，DMD芯片上的480×320個(gè)微鏡在輸入信號(hào)的控制下以一定的角度偏轉(zhuǎn)，LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)三色LED為DLP顯示提供光源，在屏幕上得到完美的圖像顯示。

圖3 傳統(tǒng)DLP顯示系統(tǒng)電路框圖Fig.3 Block diagram of traditional DLP display system circuit

圖4 改進(jìn)后的DLP顯示系統(tǒng)電路框圖Fig.4 Block diagram of improved DLP display system circuit

圖5 DLPC100對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換Fig.5 Conversion of DLPC100 to signal

4 結(jié) 論

以上通過對(duì)DLP1700顯示的電路、光路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到一個(gè)更為簡(jiǎn)潔直觀的系統(tǒng)，用STM32系列單片機(jī)代替復(fù)雜的輸入模塊設(shè)計(jì)，由它接收處理數(shù)字信號(hào)并生成圖像信號(hào)，輸入結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程控制；用新型的整體封裝的大功率RGB三色LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)多顆單色LED，與傳統(tǒng)的分立式LED封裝比較，三合一封裝解決方案不管是在色彩混合度或空間需求上都有更好的表現(xiàn)，并擁有良好的散熱能力和可靠性，可以為工程應(yīng)用開發(fā)帶來更高的靈活度。改進(jìn)后的DMD顯示儀器攜帶方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、節(jié)能環(huán)保并且可以方便的整合到各種設(shè)備中，使DLP儀器設(shè)備更好的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，即輕便、可靠性高、容易操作控制等，為其更大規(guī)模的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)有力的條件。

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