CN107369418A - 一种基于fpga的液晶过驱动实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，针对当前过驱动技术都是将过驱动表放在CPU或者GPU中，通过CPU或者GPU加载不同的灰度值来提高响应时间，查表过程会占用较多的CPU处理时间，降低了系统的反应速度。本发明在分析液晶弛豫特性产生机理的基础上，提出一种基于FPGA的过驱动方案，所有液晶过驱动过程均在FPGA中实现，有效的解决了占用CPU资源问题，更有利于液晶光束偏转等需要大量运算的场合。该方案使用PWM驱动液晶电极，通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动，提高了系统的响应速度及效率。
Description
技术领域
本发明涉及液晶空间光调制器，具体的涉及一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，主要用于液晶空间光调制器的光束快速偏转。
背景技术
在显示领域，液晶已经取代了笨重的CRT显示器，成为显示领域的主流。因为液晶的电控双折射效应可以对光强度和相位进行调制，近年来在自适应光学、自由空间光通信、光束偏转、光学相控阵等新领域成为了新研究热点。但液晶的粘滞特性，弛豫特性等因素导致其响应时间过长，影响系统总的响应时间，大大的限制了其在激光光束控制、自适应光学等需要快速响应领域的应用。
提高液晶器件响应速度的常用方法有快速响应液晶材料的合成及新型材料的使用，改进材料的方法可以使液晶响应速度得到明显提升，但是提高的潜力越来越有限，而过驱动方法可以在现有材料的基础上通过改进驱动方式来进一步提高液晶的响应速度。
过驱动方法最早由吴诗聪在1988年提出，其基本思想是使用更高的电压差来达到更快的响应速度。这就是过驱动的基本思想。之后，国内外对过驱动技术在显示领域的应用都开展了大量的研究，显著地提高了液晶显示器的响应速度，大大减少了拖尾模糊现象，改善了液晶电视对运动图像的显示效果。但在国内外的文献中，不管是多帧过驱动还是单帧过驱动，都是将过驱动表放在CPU或者GPU中，通过CPU或者GPU加载不同的灰度值来提高响应时间，查表过程会占用较多的CPU处理时间，降低了系统的反应时间。本文在分析液晶弛豫特性产生机理的基础上，提出一种基于FPGA的过驱动方案，所有液晶过驱动过程均在FPGA中实现，不占用CPU资源，更有利于液晶光束偏转等需要大量运算的场合。该方案使用PWM驱动液晶电极，通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动。
发明内容
本发明设计并实现本发明涉及一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，所有液晶过驱动过程均在FPGA中实现，有效的解决了占用CPU资源问题，更有利于液晶光束偏转等需要大量运算的场合。该方案使用PWM驱动液晶电极，通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动，提高了液晶空间光调制器的响应速度及效率，提高系统的可维护性和扩展性。
本发明采用的技术方案为：一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，该方法步骤如下：
步骤一、利用FPGA实现帧缓冲器、相位量化器、过驱动表、计时器、查找表的模块功能；上位机将目的相位数据写入FPGA后进入帧缓冲器，帧缓冲器中缓存上一帧相位数据，这样得到了初始相位值和目的相位值；
步骤二、相位量化器将初始相位值和目的相位值转化为当前相位值最近的π/8的整数倍值；
步骤三、过驱动表中存储16×16过驱动相位矩阵，根据系统需要的初始相位、目标相位信息输出施加过驱动电压的时间；
步骤四、计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时；
步骤五、查找表通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动，PWM根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，当过驱动电压下液晶相位偏转达到目标相位时，将驱动电压变为正常驱动下相位对应的电压值，最终实现液晶空间光调制器的过驱动。
进一步地，帧缓冲器在FPGA中用RAM来实现，每一个电极的上一帧数据写入对应的地址中。
进一步地，相位量化器转化初始相位值和目的相位值时，采用就近取整方法，所得相位为当前相位值最近的π/8的整数倍值。
进一步地，过驱动表在FPGA中实际是一个装载有初始值的RAM，该初始值即为之前所测得的过驱动表，初始相位和目标相位共10bit作为RAM的寻址空间，当地址线为0000010000表示开始相位为0，目标相位为2π。
进一步地，计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时，当计时器时间小于过驱动时间，此时为过驱动时间。
进一步地，查找表根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，如果初始相位小于目标相位，PWM输出全占空比，反之，则PWM输出占空比为0。
本发明的原理在于：如图1所示，共包括五个单元：帧缓冲器、相位量化器、过驱动表、计时器、查找表。各单元连接关系：上位机将目的相位数据写入FPGA后进入帧缓冲器，帧缓冲器中缓存上一帧相位数据，得到初始相位值和目的相位值分别输入到相位量化器。相位量化器将初始相位值和目的相位值转化为当前相位值最近的π/8的整数倍值。根据系统需要的初始相位、目标相位信息进行过驱动查表，输出施加过驱动电压的时间。计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时。查找表根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，当过驱动电压下液晶相位偏转达到目标相位时，将驱动电压变为正常驱动下相位对应的电压值，最终实现液晶空间光调制器的过驱动。
具体结构如下：
帧缓冲器模块：该模块在上位机将目的相位数据写入FPGA后，对上一帧相位数据进行缓存，这样得到了初始相位值和目的相位值，帧缓冲器在FPGA中用RAM来实现，每一个电极的上一帧数据写入对应的地址中。。
相位量化器模块：该模块将初始相位值和目的相位值转化为当前相位值最近的π/8的整数倍值。用查找表实现，分别用5bit来表示，00000代表相位0，00001代表π/8，依次类推。
驱动表模块：该模块在FPGA中实际是一个装载有初始值的RAM，该初始值即为之前所测得的过驱动表。初始相位和目标相位共10bit作为RAM的寻址空间。当地址线为0000010000表示开始相位为0，目标相位为2π，过驱动表输出为20ms。输出施加过驱动电压的时间。
计时器模块：该模块根据计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时，当计时器时间小于过驱动时间，此时为过驱动时间过驱动表输出过驱动时间计时。
查找表模块：该模块根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，PWM根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，如果初始相位小于目标相位，PWM输出全占空比，反之，则PWM输出占空比为0。当过驱动电压下液晶相位偏转达到目标相位时，将驱动电压变为正常驱动下相位对应的电压值，最终实现液晶空间光调制器的过驱动。
本发明与现有系统相比具有如下优点：
(1)当前过驱动技术实现系统相比，该发明采用一种基于FPGA的过驱动方案，将所有液晶过驱动过程均在FPGA中实现，解决了传统方法将过驱动表放在CPU或者GPU中，占用CPU处理时间，降低系统反应时间的问题。有效的提高了液晶系统的效率，实现液晶相位调制的快速响应，更有利于液晶光束偏转等需要大量运算的场合。
(2)同当前液晶电极驱动方式相比，该方案使用PWM驱动液晶电极，通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动，解决了传统控制电路复杂的问题，PWM电路结构简单，易于实现。有效的提高的电压的控制速度，实现的对驱动电路的高效控制。
(3)在过驱动LTU表中，如果初始相位和目标相位都分为256等级，总共有256x256个相位组合，测量整个过驱动表将会有很大的工作量，且两个相位等级因为间距太小而难做出判断，因此可以将连续的位相值通过舍入的方式变为分散的位相级，通过选择恰当的位相量化步长，可以忽略由于量化引入的误差，经测试相位变化不大于π/8时，响应时间小于1ms，更大的相位量化步长并不能进一步提高精度及成像质量，同时还会增加人工工作量和计算量。所以最终选择量化步长小于π/8。
附图说明
图1是本发明一种液晶过驱动技术的FPGA实现框图；
图2是本发明的过驱动原理图；
图3是本发明的过驱动矩阵图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，一种液晶过驱动技术的FPGA实现框图，过驱动电路比正常驱动电路复杂得多，不但需要知道当帧目的相位信息，还需要知道前一帧开始相位信息，以及在这两个相位间跳变所需施加过驱动时间，即过驱动表，以及将目的相位和初始相位量化到较近π/8的整数倍值的相位量化器。上位机将目的相位数据写入FPGA后进入帧缓冲器，帧缓冲器中缓存上一帧相位数据，这样得到了初始相位值和目的相位值，帧缓冲器在FPGA中用RAM来实现，每一个电极的上一帧数据写入对应的地址中。相位量化器将初始相位值和目的相位值转化为当前相位值最近的π/8的整数倍值，也用查找表实现。过驱动表在FPGA中实际是一个装载有初始值的RAM，该初始值即为之前所测得的过驱动表。初始相位和目标相位共10bit作为RAM的寻址空间。计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时，当计时器时间小于过驱动时间，此时为过驱动时间，PWM根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，如果初始相位小于目标相位，PWM输出全占空比，反之，则PWM输出占空比为0。
由图2所示，过驱动原理图，在t1时刻，液晶电极所施加电压为U1，根据液晶器件的电光特性，此时对光波对应调制相位为想要将光波调制到相位如果施加所对应的电压U2，因为液晶的介电弛豫和转向弛豫特性，随着分子的转动，弹性力矩逐渐增加，因此角速度越来越慢，液晶响应按照曲线1变化，在t3时刻到达相位如果在t1到t2驱动电压为U3，在t1到t2相位将按照曲线2变化，t2时刻就可以到达相位然后再切回电压U2，相位将一直保持在整个在t1到t3时刻液晶相位变化曲线将按照粗黑线的曲线3变化，相位从到的时间由原来的t3时刻缩短到t2时刻。
如图3所示，过驱动矩阵图。过驱动LTU表中，如果初始相位和目标相位都分为256等级，总共有256x256个相位组合，测量整个过驱动表将会有很大的工作量，且两个相位等级因为间距太小而难做出判断，因此可以将连续的位相值通过舍入的方式变为分散的位相级，通过选择恰当的位相量化步长，可以忽略由于量化引入的误差，经测试相位变化不大于π/8时，响应时间小于1ms，更大的相位量化步长并不能进一步提高精度及成像质量，同时还会增加人工工作量和计算量。所以最终选择量化步长小于π/8即可。最终测得过驱动矩阵。
Claims (6)
1.一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤一、利用FPGA实现帧缓冲器、相位量化器、过驱动表、计时器和查找表的模块功能；上位机将目的相位数据写入FPGA后进入帧缓冲器，帧缓冲器中缓存上一帧相位数据，这样得到了初始相位值和目的相位值；
步骤二、相位量化器将初始相位值和目的相位值转化为当前相位值最近的π/8的整数倍值；
步骤三、过驱动表中存储16×16过驱动相位矩阵，根据系统需要的初始相位、目标相位信息输出施加过驱动电压的时间；
步骤四、计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时；
步骤五、查找表通过改变PWM调制占空的方式来实现过驱动，PWM根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，当过驱动电压下液晶相位偏转达到目标相位时，将驱动电压变为正常驱动下相位对应的电压值，最终实现液晶空间光调制器的过驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：帧缓冲器在FPGA中用RAM来实现，每一个电极的上一帧数据写入对应的地址中。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：相位量化器转化初始相位值和目的相位值时，采用就近取整方法，所得相位为当前相位值最近的π/8的整数倍值。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：过驱动表在FPGA中实际是一个装载有初始值的RAM，该初始值即为之前所测得的过驱动表，初始相位和目标相位共10bit作为RAM的寻址空间，当地址线为0000010000表示开始相位为0，目标相位为2π。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：计时器根据过驱动表输出过驱动时间计时，当计时器时间小于过驱动时间，此时为过驱动时间。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的液晶过驱动实现方法，其特征在于：查找表根据初始相位和目标相位决定过驱动方向，如果初始相位小于目标相位，PWM输出全占空比，反之，则PWM输出占空比为0。
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