工程師黃明星 發表於 2018-07-27 07:04:00
DLP投影技術是應用美國德州儀器公司開發的數字微鏡元件--DMD（Digital Micromirror Device）作為主要關鍵處理元件以實現數字光學處理過程的技術。DLP顯示的色彩清晰度高、豔麗、細膩、逼真，且為全數字顯示即可靠性極高，能在各類產品（如大屏幕數位電視、公司/家庭/專業會議投影機和數位相機（DLP Cinema））中提供最佳圖像效果。目前，大部分的家用或商用DLP投影機都採用了單片結構，使得其便於移動攜帶，因而得到越來越廣泛的應用。在目前應用發展的基礎上，又對其結構的精簡性、攜帶的方便性提出了更高的要求。傳統的DLP投影儀是通過DVI接口接收外部信號，並且經過信號轉換傳送給DLP控制器來控制DLP的顯示，佔用的空間較大，接收信號的模式較局限，難以整合到現有儀器設備中，如果能將現有儀器設備中的數位訊號直接發給DLP，而不經過多次數據轉換，則能減小體積和降低成本，並能將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LED的選擇也至關重要，近年來由於RGB三色LLED在散熱、可靠度、色彩飽和度以及能源效率上超越了其他發光器件，照明設計中對其的使用也越來越普遍。目前許多LED器件製造商都使用獨立的紅光、綠光和藍光LED組合來提供所需的色彩，在應用上使用分立的LED封裝存在一些缺點，例如為了符合封裝結構所造成的空間浪費，以及使分離較遠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晶片來代替傳統的獨立光源，即單一封裝內集成紅光、綠光和藍光LED晶片的產品，其中每一個LED晶片都可以獨立控制，提供各種不同的色彩輸出。
文中以DLP1700為例，從信號輸入控制和顯示的光源這兩方面對傳統的DLP投影系統進行改進，顯示的光源方面採用大功率RGB三色LED替代傳統的多顆單色LED，信號輸人控制方面，取消傳統的DVI接頭、MSP430，用帶有I2C功能的Stm32單片機產生控制信號和圖像信號直接控制DLP1700的控制器DLPC100，進而控制DLP1700的顯示。該設計能使DLP顯示儀硬體電路結構更加精簡，電路控制更易於實現，能夠方便的整合到各種儀器中。
1 信號輸入控制傳統的數字微鏡顯示技術的信號輸入端是由DVI接口提供圖像信號和行場同步信號，由MSP430單片機對DLPC100進行基本的控制，且是通過I2C總線進行控制信號的傳輸，整個過程涉及的晶片較多，線路較複雜，本文設計中我們採用基於Cortex_M3內核的STM32系列單片機對信號輸入部分進行改進，將Stm32發送的圖像信號和行場同步信號傳送給DLPC100，來控制DLP1700的顯示和LED的驅動。因為STM32內部本身攜帶有I2C總線接口，即可代替傳統的MSP430和I2C總線對DLPC100內部進行一系列的控制。具體的電路連接方框圖如圖1所示。
圖1 停車輸入電路被替代部分
2 顯示光源用整體封裝的RGB三色LED代替傳統的獨立封裝的多顆LED，與分立封裝器件比較，這樣的做法可以讓光源更加緊湊，並且大幅度縮小每個獨立光源間的距離。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距離縮小到只有1.5mm.在LED間距縮小後，有效進行色彩混合的所需區域也可以同時縮小。經過研究發現，這種整體封裝的LED在散熱方面也有著良好效率。
文中設計採用的是安華高科技有限公司的Moonstone系列3W RGB三色LED，該光源具有光強更高、體積更小的特點。RGB三色LED光源性能參數如表1，單片RGB三色LED光源可替代傳統的滷鎢燈和多顆單色LED光源，達到相同光效所用的空間面積只有普通白光LED的幾分之一，是傳統滷鎢燈的幾十分之一。
表1 RGB三色LED光源性能參數
利用光學設計軟體進行照明系統設計，按照光源性能的參數對光源進行建模，RGB三色LED光源的模型如圖2所示。圖中三顆單色LED發光晶片的尺寸分別為0.8x0.8 mm2，單色光源分別為1個藍色發光晶片，1個綠色發光晶片和1個紅色發光晶片，分布情況見圖2.光源出射角度為120°，出射光按表1提供的參數進行設定。利用該光源設計投影儀、背投電視、大屏幕顯示等的照明系統可以使結構簡化、體積減小、操作方便。
圖2 RGB三色LED的排列
3 電路原理及整體電路圖傳統的DLP1700顯示系統電路圖如圖3所示，圖中信號輸入用到DVI接口、MSP430單片機、I2C總線，線路控制比較複雜；右邊從DLPC100輸出的RGB EN和RGB PWM信號控制LED驅動器進而控制多顆單色LED.改進後的系統電路如圖4所示，由STM32單片機控制DLPC100並輸入數據信號給DLPC100，繼而驅動LED驅動器，當DLPC100對輸入的信號數據進行如圖5所示的數據格式轉換、信號增強、DMD格式轉換等處理後將信號傳送給DMD晶片DLP1700，DMD晶片上的480x320個微鏡在輸入信號的控制下以一定的角度偏轉，LED驅動器驅動三色LED為DLP顯示提供光源，在屏幕上得到完美的圖像顯示。
圖3 傳統的DLP1700顯示系統電路圖
圖4 改進後的DLP顯示系統電路框圖
圖5 DLPC100對信號的轉換
4 結論以上通過對DLP1700顯示的電路、光路系統進行改進設計，得到一個更為簡潔直觀的系統，用STM32系列單片機代替複雜的輸入模塊設計，由它接收處理數位訊號並生成圖像信號，輸入結構簡單、易於編程控制；用新型的整體封裝的大功率RGB三色LED代替傳統多顆單色LED，與傳統的分立式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，並擁有良好的散熱能力和可靠性，可以為工程應用開發帶來更高的靈活度。改進後的DMD顯示儀器攜帶方便、結構簡單、體積小、節能環保並且可以方便的整合到各種設備中，使DLP儀器設備更好的發揮其優勢，即輕便、可靠性高、容易操作控制等，為其更大規模的應用提供堅實有力的條件。
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