基于数字微镜器件的目标模拟器关键技术研究

邝晓天 ，李 强 ，韩维强 ，王 宇

（1.中国科学院光电技术研究所四川成都610000；2.中国科学院大学北京101400）

随着图像采集、识别、分析、处理等技术的发展，具有这些功能设备性能得到了巨大发展，因此也提出了更多样更精确的试验要求。设备的研制阶段不同，应用不同，对其试验的方式也不同。具体方法有3种：实地外场试验、数字图像注入式仿真试验、半实物场景仿真试验。其中实半实物场景仿真试验成本较低，对试验环境要求相对宽松，试验可重复性强，能较真实地模拟应用场景。因此，对半实物场景仿真实验技术的研究具有重大意义。

德州仪器公司（TI）于1987年发明的数字微镜器件（DMD）是一种可以调制入射光幅度、方向和位相的空间照明调制器。数字微镜器件（DMD）由于其高分辨率，高亮度，较小的体积，较高的灵活性，是半实物仿真试验系统常常采取的热门方案之一。本文研究内容是设计一种用于地面复杂场景模拟及星图模拟的基于数字微镜器件的目标模拟器驱动电路系统及星图模拟算法。

1 数字微镜器件原理介绍

数字微镜器件是一种微机电系统（MEMS）器件[1]。每个DMD芯片都是由若干个独立的反射微镜排列构成的，每个反射微镜即对应显示的一个像素。

数字微镜芯片中，在每个微镜的下方是一个由双CMOS存储元件形成的存储单元，两个存储元件的状态不是独立的，而是始终互补。如果一个存储元件为逻辑1，则另一个存储元件为逻辑0，反之亦然。输入到数字微镜芯片的数字信号控制每个微镜的机械翻转，将来自照明光源的入射光反射到特定的角度，以达到成像的效果[2]。

2 目标模拟器系统设计

2.1 系统整体框架

本设计的系统采用“FPGA+DLPC+DMD”的结构。其中，DMD（Digital Micromirror Device）即德州仪器出品的用于数字光处理（DLP，Digital Light Processing）的数字微镜器件[3]。DLPC（Digital Light Processing Controller）是德州仪器提供的一种控制数字微镜器件的专用芯片。FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，用于控制整个系统，以及进行实时图像处理[4]。图1为目标模拟器结构简图。

图1 目标模拟器结构简图

2.2 核心器件选型

从1987年至今，德州仪器（TI）已经研发了至少上百款不同尺寸、不同分辨率、适用于不同场景的数字微镜器件（DMD）。近年来，德州仪器（TI）还为各个型号的数字微镜器件配备了与之对应的控制芯片（DLPC，Digital Light Processing Controller）。本设计中我们选取DLP6500型号的数字微镜器件，所对应的控制驱动芯片为DLPC900。

为了能实现上位机通过USB2.0控制整个系统，实现CameraLink实时视频传输功能和实时图像处理功能，并且为今后可能实现的通过FPGA直接控制数字微镜器件提供可能[5]。本系统FPGA采用Xilinx Zynq-7000系列的 XC7Z030-1FFG676I，XC7Z030有由处理器系统（PS）和可编程逻辑（PL）两部分构成[6]，其中PS包括一个主频达667 MHz～1 GHz的双核ARM Cortex A9、片内存储器额多种外设接口；PL相当于7系列的Kintex-7 FPGA。

2.3 系统结构

根据我们所确定的系统整体结构及核心器件型号，再加上相应的外围电路，设计了具体的系统结构。图2为系统的原理框图。

图2 系统原理框图

图2中风扇和LED灯（光源）是两个独立部件，LED等必须安装在光学部件合适位置，风扇则安装在机械部件的合适位置，方便散热即可。

为方便光学系统的安装调试，系统采用控制板（简称“MAIN板”）加驱动板（简称“DMD板”）的分体式结构，两块板通过15 cm左右的电缆连接，。其中DMD板只有DLP6500FLQ及DMD专用电源电路，其他所有电路（包括IO接口接插件）都在MAIN板上。

由于系统采用“控制板+驱动板”的分体式结构，因此需要选择一种合适的连接方案。两块PCB板目前常见的连接方式主要有：FPC（Flexible Printed Circuit，柔性印制电路连接器）、FFC（Flexible Flat Cable，柔性扁平电缆连接器）或电缆软连接，通过子母板等方式硬连接，通过无线收发、蓝牙技术连接，通过红外线发射-接收方式交换数据，实现连接[7]。本设计采用自制的高速差分连接线连接，其特点是柔软、可随意弯折、可穿过狭窄的空间、便于调试、成本较低等。两块电路板均配置相应插座，控制信号和电源使用25芯的J30J-25ZKW-J，差数据信号使用74芯的J30J-74ZKW-J。

本设计的目标模拟器共4种工作模式：预存图像模式，USB1.1接口图像模式，USB2.0接口图像模式，实时视频模式。

在预存图像模式下，数字微镜器件直接加载并显示预存在FLASH闪存中的图像。在这种模式下，上位机只需向目标模拟器发送控制命令，而无需传输图像。

在USB1.1图像模式下，由上位机直接通过USB1.1接口向DLPC发送控制命令，并传输静态图像。

在USB2.0图像模式下，由上位机通过USB2.0接口控制FPGA并传输图像，由FPGA控制目标模拟器显示静态图像。

在视频模式下，由上位机通过USB2.0接口控制FPGA以控制整个系统[8]，实时动态图像（视频）通过CameraLink接口[9]传入FPGA，FPGA对视频进行实时图像处理后传入DLPC。

3 驱动板硬件电路设计

驱动板主要由数字微镜器件、两个连接器和专用二次电源及外围电路组成。数字微镜器件和二次电源直接与连接器相连，并通过高速差分连接线与控制板相连。专用二次电源采用德州仪器（TI）的TPS65145IPW[10]，输入 3.3 V，为DLP6500FLQ提供三路输出电压，二次电源芯片还配置了外围电路以使电源部分适配DLP6500FLQ芯片。本设计电路设计部分软件平台为Altium Designer6.9。图3为驱动板电路原理示意图。

图3 驱动板电路原理示意图

3.1 电源升压电路模块

表1为DLP6500FLQ的推荐供电电压表。

表1 DLP6500FLQ的推荐供电电压表

考虑供电需求情况，驱动板供电模块采用TPS65145IPW芯片。TPS65145IPW[11]电压输入范围为2.7～5.8 V，开关频率为1.6 MHz，三路独立可调电压输出，主输出电压最高可达15 V，负输出电压可低至-12 V/20 mA，正输出最高电压可达30 V/20 mA。

TPS65145IPW包含一个升压斩波电路[12]（Boost Converter），可提供最大15 V/400 mA主输出；一个正电荷泵（Positive Charge Pump），可提供最大30 V/20 mA输出；一个负电荷泵（Negative Charge Pump），可提供最大-12 V/20 mA输出；一个“Power Good”信号，用于监控输入电压；一个线性稳压控制器[13]，可提供3.3 V输出。按照需求，设计TPS65145IPW芯片外围电路，图4为TPS65145IPW芯片外围电路原理图。

按照德州仪器提供的技术资料，根据公式计算，该电源模块提供的三路独立输出电压分别为:

图4 TPS65145IPW芯片外围电路原理图

三路输出电压可以满足表1中展示的DLP6500所需供电电压[14]。

除各路输出端以外，VIN为供电输入，EN为器件使能端，ENR为线性稳压控制器使能端，C1+，C1-为电荷泵所需快速充电电容（flying capacitor），C2+，C2-/MODE为正电荷泵模式选择引脚，PG为“Power Good”信号。

3.2 微镜保护电路模块

图5为微镜保护电路原理图。图5中，EN_OFFSET为数字微镜器件的使能输出端。此保护电路存在的意义是：在系统上电或关机的瞬间，会产生一个脉冲高电压，这个电压对微镜是有比较大的伤害的，因此需要一个保护电路，保证在电压稳定的时候DLP6500FLQ才通电工作[15]。

以图5中的上面部分为例，当DLP6500FLQ正常工作时，EN_OFFSET输出高电平，晶体管Q3的基极电位高于发射极电位，此时晶体管Q3处于工作于饱和区，集电极和发射极处于导通状态，电阻R42承担了全部压降，晶体管Q2的基极与发射极电位相等，Q2处于截止状态，此时Q1的基极与发射极电位相等，Q1处于截止状态，+8.5 V电源正常供电。

当DLP6500FLQ开始关机，EN_OFFSET输出低电平，Q3基极电位为0，Q3处于截止状态，Q2基极电位为3.3 V，Q2的集电极和发射极处于导通状态，Q1的基极电位为0，发射极电位高于基极，Q1处于导通状态（应当注意Q1为PNP型晶体管），此时8.5 V电源相当于被另一条通路接地，这条通路与DLP6500FLQ并联，分担了部分电流，快速释放剩余电荷，从而保护了微镜。

同样的，当系统从关机到上电的一瞬间，EN_OFFSET还未输入高电平，晶体管Q3处于截止状态，晶体管Q2和Q1处于导通状态，8.5V电源被接地，与DLP6500FLQ并联，分担了部分的电流，之后DLP6500FLQ才进入正常工作状态，从而保护了微镜。

图5中保护电路的中间和下面部分分别连接+16 V输入电压及-10 V输出电压，同样用于使微镜只有在电压稳定的情况下翻转工作以保证其安全，这两部分电路的工作原理业余上面部分类似，此处不予过多阐述。

图5 微镜保护电路原理图

3.3 供电稳压滤波模块

图6为5个稳压滤波电路原理图。

图6中稳压滤波电路包括[16]：

图6 供电模块电路原理图

1）VBIAS引脚的外围电路，+16 V输入电压与地之间并联了C20、C21、C22、C23、C245 个电容。其中C20为10 uF的电容，作用是滤去高频纹波。C21、C22、C23、C24是0.1 uF的电容，作用是滤去低频纹波。

2）VOFFSET引脚的外围电路，+8.5 V输入电压与地之间并联了C25、C26、C27、C28、C29、C306 个电容。其中C25为10uF的电容，作用是滤去高频纹波。C26、C27、C28、C29、C30是0.1 uF的电容，作用是滤去低频纹波。

3）VRESET引脚的外围电路，+16 V输入电压与地之间并联了C31、C32、C33、C34、C355 个电容。其中C31为10 uF的电容，作用是滤去高频纹波。C32、C33、C34、C35是0.1 uF的电容，作用是滤去低频纹波。

4）VCC引脚的外围电路，+16 V输入电压与地之间并联了C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42、C438 个电容。其中C43为100 uF的电容，作用是滤去高频纹波。C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42是0.1 uF的电容，作用是滤去低频纹波。

5）VCC引脚的外围电路，+16 V输入电压与地之间并联了C44、C45、C46、C47、C48、C49、C50、C518 个电容。其中C51为100uF的电容，作用是滤去高频纹波。C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42是0.1 uF的电容，作用是滤去低频纹波。

4 试验样机研制及功能测试

4.1 试验样机研制

按照第三章设计的系统结构，第四章设计的硬件电路，再加上另行设计的一部分控制电路，研制了基于数字微镜器件目标模拟器硬件系统。该系统为“控制板+驱动板”的分体式结构。控制板主要搭载XC7Z030、DLPC900为核心的驱动电路，控制板尺寸为155mm×125 mm。驱动板搭载数字微镜器件DLP6500FLQ及其电源电路，驱动板尺寸为100 mm×78 mm。两块板通过自制的15 cm高速差分电缆软连接。硬件系统系统通过USB1.1与上位机相连。安装德州仪器（TI）公司免费提供的用于DLPC900的“DLPC900REFSW-3.0.0-windows-installer.exe”后，可以通过USB1.1口直接对DLPC900进行控制和设置参数，采用德州仪器（TI）提供的专用上位机（PC机）程序“DLP LCR6500&LCR 9000 GUI”（DLPC900REFGUI），该软件为PC图形用户界面（GUI）的可执行文件，可与DLPC900控制器实现USB通信。图7为硬件系统实拍图。

4.2 试验样机功能测试及性能分析

我们以USB1.1图像模式测试驱动电路功能。驱动电路接通5 V直流电源通过USB1.1接口连接到上位机，打开“DLP LCR6500&LCR 9000 GUI”驱动程序，载入BMP格式测试图像。图8为1 920×1 080测试图像及显示情况。

图7 硬件系统实拍图

图8 1920×1080测试图像及显示情况

我们已经验证了硬件系统方案的可行性，根据我们所选型号的器件特性参数，可知本系统可达到表2中的性能参数。

表2 目标模拟器主要性能参数

5 结论

文中设计了一种基于数字微镜器件的目标模拟器的驱动电路部分，完成了系统结构设计，驱动板硬件电路设计，“FPGA+DLPC+DMD”的结构改善了数字微晶器件专用控制芯片的局限性，硬件电路解决了数字微镜器件供电、微镜保护等问题。系统完善后可支持实时视频传输及图像处理功能，具有高分辨率，高帧频，适用于宽频带可见光，小型化，轻量化等特点。