基于FPGA的单片彩色LCD投影机设计

　　引言

　　显示技术正朝着大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向发展。通常说来，将屏幕显示面对角线尺寸在1米(40英寸)以上的显示称为大屏幕显示。投影机作为一种重要的显示设备，已经广泛地应用到了金融、教育、企业、军事等多个领域，它所具有的大幅面、高清晰多媒体演示功能，使信息的传递具有更好的效果。目前，市面上的主流产品是三片式LCD投影机和DLP投影机，其中，三片式LCD投影机的市场份额高达三分之二。

　　然而，投影机的主要采购者绝大多数是政府部门、企业和高校。无论是三片式LCD投影机还是DLP投影机，其高昂的价格一直妨碍着投影机进入普通家庭。为了简化设备结构，降低成本，本文给出了一种基于FPGA的高光效单片彩色LCD投影机的设计方法。

　　1 投影原理

　　三片式LCD投影机的一般电路原理如图1所示。由图1可以看出，传统LCD投影机的电路原理是把传送过来的视频信号通过彩色解码，以产生R、G、B信号，然后

　　通过视频处理电路把该三基色信号加载在红、绿、蓝三只单色液晶屏上，最后加在三只单色投影管上，并经三只单色投影管还原后，再把图像通过光学透镜放大几十倍后由反射镜反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色图像。由此可以看出，由于三只投影管和投影镜头并非都正对屏幕放置，三种图像信号还原到屏幕上所经过的光路各不相同，而这必然导致R、G、B三色信号在屏幕上不能完全重合在一起，进而引起会聚失真。

　　于是，本文从图1的视频处理电路和控制电路着手，设计了一种新的投影方式，即在一个液晶屏上呈现R、G、B三基色的单色图像数据，并对照射进来的R、G、B三单色光进行调制，然后经过透射、折射以及图像拉宽等光学系统的处理，最终在屏幕上形成彩色网像，该方法的原理图如图2所示。

　　通过图2可以看出，该没计的最大特点是在一块LCD屏上分别显示出R、G、B三基色图像，并通过对单色光进行调制来投影，而不像传统的投影系统，要用三块LCD屏分别显示R、G、B基色图像。

　　2 投影机系统电路

　　在投影机设计中，控制电路的作用是对输入的视频和数字图像信号进行处理，以将其转变成适合LCD屏显示的信号。投影系统的电路部分如图3所示。当图像信号由DVI接口传送到DVI解码芯片后，系统可将视频信号分解成24位R、G、B单色信号以及相应的控制信号，再通过FPGA组成的视频信号处理电路进行相关转换，然后经过DVI编码芯片恢复成DVI信号，最后送至液晶屏。

　　从系统电路的示意图可知。以FPGA为核心(包括DVI解码、编码芯片在内)的信号处理电路是整个设计中最为关键的部分，图4所示是其数据读写和传输示意图。从DVI解码芯片进入FPGA的数据包括8位并行R/G/B信号以及行、场控制信号和时钟信号。事实上，为实现实时视频显示，应该对一帧(笔者使用的LCD屏所支持的最高分辨率为XGA，即1024×768)数据进行处理。可是，如果对整帧数据一起处理，至少需要2 MB以上的外部存贮器来对数据进行缓存，这样既提高了成本，又增加了电路的复杂性。因此，在本设计中，笔者采用了一种新思路，即对输入的视频数据一行一行的进行处理，并且在相邻两行的数据流处理中采用“乒乓操作”，这样既可实现实时显示，又简化了电路。具体操作如下：