CN111711804A - 一种数字微镜器件驱动芯片fpga原型验证平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，包括FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统、FPGA可编程门阵列Kintex子系统、电容触摸屏、子板部分、电源部分、摄像头、色轮模块、UHP灯模块、大功率LED模块，本发明一方面可以满足芯片验证的高需求，另一方面适用于投影市场的智能化开发。本发明可实现硬件资源的自适应动态拓展，可使用于超大规模芯片原型验证、智能化投影芯片原型验证、远程网络视频投影芯片原型验证等多种场合。本发明具有体积小巧、功能齐全、性能优异，可开发性强等优点，给用户带来轻松、方便与快捷的使用体验。

Description

一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台

技术领域

本发明涉及芯片原型验证，尤其涉及一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证，其作为一种投影芯片原型验证平台，包括超大规模芯片原型验证、智能化投影芯片原型验证、远程网络视频投影芯片原型验证等。

背景技术

随着集成电路的不断发展，芯片验证的需求不断增加。目前芯片验证阶段所耗费的时间占整个芯片设计周期的 60%以上，所以如何提高验证的效率和全面性是当前芯片设计所面临的一个重大问题。传统的 EDA 仿真是目前常用的验证方法，但是却具有验证速度慢、验证不全面的缺点。

同时，随着人们物质水平的提高，社会公众对投影技术的需求也越来越大，例如在家中使用微型投影仪构建家庭影院、在公众场所使用多投影仪视频拼接技术显示巨幅广告视频和在VR/AR中使用的全息投影仪等。而数据显示，数字光处理技术（DLP）占总投影技术的九成以上，其中数字微镜器件（DMD）作为DLP技术的核心，一直由某公司独家垄断，因此国内在DLP技术的发展上始终受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有投影芯片原型验证平台的不足而提供的一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，本发明采用FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统、FPGA可编程门阵列Kintex子系统、电容触摸屏、子板部分、电源部分、摄像头、色轮模块、UHP灯模块及大功率LED模块，针对数字微镜器件（DMD）的驱动芯片设计原型验证进行平台开发。

本发明一方面可以满足芯片验证的高需求，另一方面适用于投影市场的智能化开发。本发明可以电容触摸屏、手势识别、上位机等多种交互方式作为用户交互，采用双核FPGA实现系统核心的信号处理，拥有USB、串口、网口等多种接口进行外设拓展，同时支持FPGA之间通过万兆以太网光口SFP+互联，从而实现硬件资源的自适应动态拓展，拥有多种使用场合，包括但不限于超大规模芯片原型验证、智能化投影芯片原型验证、远程网络视频投影芯片原型验证等。本发明具有体积小巧、功能齐全、性能优异，可开发性强等优点，使开发人员在使用中更加轻松、方便与快捷，本发明可在多种投影芯片智能化用途中提供芯片原型验证的作用。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，它包括FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统、FPGA可编程门阵列Kintex子系统、电容触摸屏、子板部分、电源部分、摄像头、色轮模块、UHP灯模块及大功率LED模块，所述FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统分别与子板部分、色轮模块、UHP灯模块及大功率LED模块连接；FPGA可编程门阵列Kintex子系统分别与电容触摸屏及摄像头连接；电源部分为FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统、FPGA可编程门阵列Kintex子系统、电容触摸屏、子板部分、摄像头、色轮模块及大功率LED模块供电；其中：

所述的FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统包括ZYNQ芯片、第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口、第一1GB 32 bit DDR4存储器、2GB 64 bit DDR4存储器、第一Flash模块、HDMI视频输入输出模块、USB部分、USB-UART接口部分、SD卡部分、DisplayPort接口、SATA接口及子板LVDS接口，所述第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口、第一1GB 32 bit DDR4存储器、2GB 64 bitDDR4存储器、第一Flash模块、HDMI视频输入输出模块、USB部分、USB-UART接口部分、SD卡部分、DisplayPort接口、SATA接口及子板LVDS接口分别与ZYNQ芯片连接；

所述FPGA可编程门阵列Kintex子系统包括Kintex芯片、第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口、第二1GB 32 bit DDR4存储器、第二Flash模块、HDMI视频输出模块、MIPI摄像头接口、DVP摄像头接口、LCD触摸屏接口，所述第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口、第二1GB 32 bitDDR4存储器、第二Flash模块、HDMI视频输出模块、MIPI摄像头接口、DVP摄像头接口、LCD触摸屏接口分别与Kintex芯片连接；

所述子板部分包括子板及DMD芯片，DMD芯片通过芯片底座连接到子板上；子板通过LVDS接口连接到FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统中的子板LVDS接口上；

所述色轮模块包括色轮驱动模块及色轮，色轮与色轮驱动模块连接，色轮驱动模块及色轮反馈信号连接到FPGA可编程门阵列Kintex子系统中的Kintex芯片上；

所述UHP灯模块包括UHP blaster及UHP灯，UHP灯与UHP blaster连接；UHP blaster与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统中的ZYNQ芯片连接。

所述HDMI视频输入输出模块由HDMI接口及视频收发芯片SiI9616组成，其中HDMI接口与视频收发芯片SiI9616连接，视频收发芯片SiI9616与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统中的ZYNQ芯片连接。

所述HDMI视频输出模块由HDMI接口（251）及视频输出芯片ADV7511组成，其中HDMI接口与视频输出芯片ADV7511连接，视频输出芯片ADV7511与FPGA可编程门阵列Kintex子系统中的Kintex芯片连接。

所述USB部分由USB3.0接口、USB2.0接口芯片组成；其中USB3.0接口中的USB3.0高速差分信号与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统中的ZYNQ芯片连接；USB3.0接口中的USB2.0差分信号与USB2.0接口芯片连接；USB2.0接口芯片与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统中的ZYNQ芯片连接。

本发明优势如下：

1）本发明配有SATA3.1接口、DisplayPort接口、USB3.0接口、USB-UART接口、10M/100M/1000M以太网网口、SD3.0接口、两路2*2 SFP/SFP+万兆以太网光口、两种MIPI摄像头接口、三个HDMI输入输出接口、LCD触摸屏接口及DVP摄像头接口。多路接口充分满足各种外设的接入，系统的测试、调试程序、接口也非常完善，作为开发平台极大的发挥了兼容性与开创性；

2）相比同类型芯片原型验证平台而言，体积小巧，方便携带。同时由于整个系统完整、成熟、稳定性好、体积轻便，应用FPGA集成多种投影显示驱动芯片功能，方便用户使用，因此本平台可直接用于相关投影设备应用推广；

3）迎合投影仪智能化趋势，本发明增加神经网络单元，可通过摄像头采集投影设备周边环境图像，实现人脸识别、手势识别、场景检测等功能。针对日常的投影设备，神经网络单元可以对用户手势进行识别，完成人机交互；

4）作为投影芯片原型验证平台，本发明可兼容多种分辨率数字微镜芯片的后端驱动，包括2160*1920*1080、1280*800和1024*768等；同时本发明采用更换子板的方式处理不同数字微镜芯片封装不同的问题，最大程度降低成本。

5）本发明可实现多种前端视频处理算法，包括亮度对比度调整、颜色饱和度色度调整、图像锐化、噪声抑制、白平衡、多界面、OSD叠加、梯形矫正、缩放调整等功能；

6）平台与平台之间的FPGA芯片可通过板上预留的万兆以太网光口SFP+互联，进行硬件资源的动态拓展。在实现超大规模芯片的原型验证提供可能的同时，兼顾了中小型规模芯片的FPGA原型验证资源的适配，降低了中小型规模芯片FPGA原型验证的成本；

7）平台由自主设计的高速印制电路板为基础，FPGA程序、C语言、C++语言程序均由发明人团队自行开发，不借助任何成品模块。硬件系统保证了信号完整性、电源完整性及电磁兼容性，工作稳定、性能良好；

8）JTAG、USB、HDMI、DP、SATA和PCIE等接口时常需要插拔，存在静电与浪涌现象，本发明采用由两个肖特基势垒二极管构成的ESD二极管以及低电容的TVS管进行保护，当接口被反接或遇到正负电源浪涌时，可以通过两个二极管将引脚上的电压钳位至-0.3~2.8V之间，从而保护FPGA不受损坏。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统电路框图；

图3为本发明FPGA可编程门阵列Kintex子系统电路框图；

图4为本发明子板部分电路框图；

图5为本发明色轮模块电路框图；

图6为本发明UHP灯模块电路框图；

图7为本发明HDMI视频输入输出模块电路框图；

图8为本发明HDMI视频输出模块电路框图；

图9为本发明USB部分电路框图；

图10为本发明实施例1电路框图。

具体实施方式

参阅图1，本发明的一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台包括FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1、FPGA可编程门阵列Kintex子系统2、电容触摸屏3、子板部分4、电源部分5、摄像头6、色轮模块7、UHP灯模块8、大功率LED模块9；所述FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1分别与子板部分4、色轮模块7、UHP灯模块8及大功率LED模块9连接；FPGA可编程门阵列Kintex子系统分别与电容触摸屏3及摄像头6连接；电源部分5为FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1、FPGA可编程门阵列Kintex子系统2、电容触摸屏3、子板部分4、摄像头6、色轮模块7及大功率LED模块9供电。本发明大功率LED模块9采用某公司的LED恒流驱动器LT3744驱动RGB三种颜色的10A大功率LED。通过三个PWM输入管脚分别控制三个LED灯的点亮，每次只有一盏LED灯能够被点亮。通过调整控制端电压，实现输出电流的程控调节。由于LED驱动器电流达到10A，定制大功率的子板更为合适，所以这里只留出控制接口来控制LED驱动，一共六个控制管脚均直接与ZYNQ芯片11相连。三个PWM输入管脚，三个CTRL控制管脚通过调整PWM占空比再滤波实现直流电压的调整。

参阅图2，所述的FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1包括ZYNQ芯片11、第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口12、第一1GB 32 bit DDR4存储器13、2GB 64 bit DDR4存储器14、第一Flash模块15、HDMI视频输入输出模块16、USB部分17、USB-UART接口部分18、SD卡部分19、DisplayPort接口110、SATA接口111及子板LVDS接口112；所述第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口、第一1GB 32 bit DDR4存储器13、2GB 64 bit DDR4存储器14、第一Flash模块15、HDMI视频输入输出模块16、USB部分17、USB-UART接口部分18、SD卡部分19、DisplayPort接口110、SATA接口111、子板LVDS接口112分别与ZYNQ芯片11连接；其中本发明SATA接口111使用M-Key的插槽，支持SATA 3.1标准的SSD硬盘，使用时需要配合B+M Key接口类型的SSD硬盘模块。

参阅图3，所述FPGA可编程门阵列Kintex子系统2包括Kintex芯片21、第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口22、第二1GB 32 bit DDR4存储器23、第二Flash模块24、HDMI视频输出模块25、MIPI摄像头接口26、DVP摄像头接口27、LCD触摸屏接口28；所述第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口22、第二1GB 32 bit DDR4存储器23、第二Flash模块24、HDMI视频输出模块25、MIPI摄像头接口26、DVP摄像头接口27、LCD触摸屏接口28分别与Kintex芯片21连接；本发明MIPI摄像头接口26支持连接两种摄像头，一种是4-lane MIPI AR1337摄像头，另一种是2-lane MIPI摄像头OV5640。AR1337的有效像素4208x3120；OV5640的有效像素为2592x1944，支持1080p@30Hz或640x480@90Hz等显示分辨率与帧率；本发明DVP摄像头接口27可兼容OV7725、OV2640和OV5640三种摄像头。

参阅图4，所述子板部分4包括子板41及DMD芯片42；所述DMD芯片42通过芯片底座连接到子板41上；子板41通过LVDS接口连接到FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1的子板LVDS接口112上；作为投影芯片原型验证平台，本发明可兼容多种分辨率数字微镜芯片的后端驱动，包括2160*1920*1080、1280*800和1024*768等，同时本发明通过更换子板解决数字微镜芯片封装不同的问题，在不影响投影效果的基础上最大化降低平台成本。

参阅图5，所述色轮模块7包括色轮驱动模块71及色轮72；所述色轮72与色轮驱动模块71连接，色轮驱动模块71及色轮72反馈信号连接到FPGA可编程门阵列Kintex子系统2的Kintex芯片21上；本平台中色轮驱动控制采用某公司的三相无刷直流电机控制与驱动器A8904SLB；A8904SLB通过四个驱动信号驱动色轮电机转动；根据A8904SLB的状态输出管脚的设置，可以输出转速信息/反电动势过零指示等反馈信号给控制器；平台需要根据色轮72的反馈信号对输出视频进行画面颜色的同步，此信号通过LM393比较器后连接至ZYNQ芯片11中。

参阅图6，所述UHP灯模块8包括UHP blaster 81及UHP灯82；UHP灯82与UHPblaster 81连接；UHP blaster 81与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1中的ZYNQ芯片11连接；UHP blaster 81与ZYNQ芯片11直接连接共有三根信号线，一根使能线，一对UART通信线；对于使能信号，如果不需要视频的输入/输出，设置UHP blaster 81的使能信号输出为一180Hz，占空比为50%的方波信号。如果UHP灯82需要与输出视频信号进行同步，使投影画面稳定不闪烁，使能信号需要根据VSYNC信号进行1/2/3倍频后输入至UHP blaster 81中；一对UART通信线串口收发信号RX与TX负责向UHP blaster 81写数据，UHP blaster 81进而可控制UHP灯82亮度，UHP灯82的亮度共15级。

参阅图7，所述的HDMI视频输入输出模块16由HDMI接口161及视频收发SiI9616芯片162组成。其中HDMI接口161与视频收发SiI9616芯片162连接，视频收发芯片SiI9616与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1中的ZYNQ芯片11连接；芯片SiI9616支持最高3820*2160@30Hz的4k视频收发处理，像素时钟最高300MHz，支持36位并行数据输入、36位并行数据输出、TMDS接收器和TMDS发射器，ZYNQ子系统1通过并行数据输入和输出端口可以同时进行4k高清视频输入和输出。

参阅图8，所述HDMI视频输出模块25由HDMI接口251及视频输出ADV7511芯片252组成；其中HDMI接口251与视频输出ADV7511芯片252连接，视频输出ADV7511芯片252与FPGA可编程门阵列Kintex子系统2中Kintex芯片21连接；ADV7511芯片252只支持视频输出，时钟频率最高支持225MHz，兼容HDMI v1.4a标准。

参阅图9，所述USB部分17由USB3.0接口171和USB2.0接口芯片172组成，其中USB3.0接口171中的USB3.0高速差分信号与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1中ZYNQ芯片11连接；USB3.0接口171中的USB2.0差分信号与USB2.0接口芯片172连接；USB2.0接口芯片172与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统1中ZYNQ芯片11连接。USB3.0接口信号直接从ZYNQ芯片11连接到USB3.0母座，USB2.0接口信号通过USB2.0接口芯片172将信号转为USB2.0差分对连接到USB3.0母座；平台通过此种方式兼容USB2.0与USB3.0模式。

实施例

参阅图10，本平台可以构成智能投影平台，ZYNQ子系统1中HDMI视频输入输出模块16实现视频输入与DMD驱动，Kintex子系统2中的Kintex芯片21通过摄像头6接收数据，再经过固化在Kintex芯片21中的神经网络算法，完成手势识别和场景检测等功能。针对日常的投影设备，固化在Kintex芯片21中的神经网络单元可以对用户手势进行识别，完成人机交互。同时，固化在Kintex芯片21中的场景检测模块可就相应场景调校色彩饱和度、亮度、锐利度及智能降噪，以此提升整体视觉质量。

具体工作过程：待投影视频自ZYNQ子系统1中HDMI视频输入输出模块的HDMI接口161输入，经过视频收发SiI9616芯片162后进入ZYNQ芯片11；ZYNQ芯片11与Kintex芯片21通过高速接口相连；Kintex芯片21通过LCD触摸屏接口28与电容触摸屏3进行信息交互；如果用户使用电容触摸屏3选择对待投影视频进行处理，则Kintex芯片21将通过高速接口从ZYNQ芯片11中获取待处理视频信息，由固化在Kintex芯片21中的场景检测模块处理视频后，再将处理好的视频送回ZYNQ芯片11内；如果用户使用电容触摸屏3选择手势识别，则摄像头6通过MIPI摄像头接口26与Kintex芯片21进行数据传输，Kintex芯片21对摄像头6传输过来的数据应用固化在Kintex芯片21中的神经网络单元完成人机交互；当用户使用电容触摸屏3选择视频投影后，Kintex芯片21接收交互信息，传输给ZYNQ芯片11，ZYNQ芯片11将待投影视频处理后经由子板LVDS接口112传输到子板41，再由子板41传输给DMD芯片42，从而控制DMD芯片42上数百万个微镜的翻转。同时ZYNQ芯片11控制UHP Blaster进而控制UHP灯产生不同亮度的光线。与此同时，Kintex芯片21通过色轮驱动模块71控制色轮72的转动，并接收反馈信号传回Kintex芯片21；UHP灯82、色轮72与DMD芯片42一同完成待投影视频的投射；其间，为实现视频流畅播放，ZYNQ芯片11与Kintex芯片21均配有DDR4存储器，ZYNQ芯片11与第一1GB 32 bit DDR4存储器13、2GB 64 bit DDR4存储器14直接相连，Kintex芯片21与第二1GB 32 bit DDR4存储器23直接相连。

Claims (4)

1.一种数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，其特征在于，它包括FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）、FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）、电容触摸屏（3）、子板部分（4）、电源部分（5）、摄像头（6）、色轮模块（7）、UHP灯模块（8）、大功率LED模块（9），

所述FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）分别与子板部分（4）、色轮模块（7）、UHP灯模块（8）及大功率LED模块（9）连接；FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）分别与电容触摸屏（3）及摄像头（6）连接；电源部分（5）为FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）、FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）、电容触摸屏（3）、子板部分（4）、摄像头（6）、色轮模块（7）及大功率LED模块（9）供电；其中：

所述的FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）包括ZYNQ芯片（11）、第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口（12）、第一1GB 32 bit DDR4存储器（13）、2GB 64 bit DDR4存储器（14）、第一Flash模块（15）、HDMI视频输入输出模块（16）、USB部分（17）、USB-UART接口部分（18）、SD卡部分（19）、DisplayPort接口（110）、SATA接口（111）及子板LVDS接口（112），所述第一2*2SFP/SFP+万兆以太网光口（12）、第一1GB 32 bit DDR4存储器（13）、2GB 64 bit DDR4存储器（14）、第一Flash模块（15）、HDMI视频输入输出模块（16）、USB部分（17）、USB-UART接口部分（18）、SD卡部分（19）、DisplayPort接口（110）、SATA接口（111）及子板LVDS接口（112）分别与ZYNQ芯片（11）连接；

所述FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）包括Kintex芯片（21）、第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口（22）、第二1GB 32 bit DDR4存储器（23）、第二Flash模块（24）、HDMI视频输出模块（25）、MIPI摄像头接口（26）、DVP摄像头接口（27）、LCD触摸屏接口（28），所述第二2*2SFP/SFP+万兆以太网光口（22）、第二1GB 32 bit DDR4存储器（23）、第二Flash模块（24）、HDMI视频输出模块（25）、MIPI摄像头接口（26）、DVP摄像头接口（27）、LCD触摸屏接口（28）分别与Kintex芯片（21）连接；

所述子板部分（4）包括子板（41）及DMD芯片（42），DMD芯片（42）通过芯片底座连接到子板（41）上；子板（41）通过LVDS接口连接到FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）中的子板LVDS接口（112）上；

所述色轮模块（7）包括色轮驱动模块（71）及色轮（72），色轮（72）与色轮驱动模块（71）连接，色轮驱动模块（71）及色轮（72）反馈信号连接到FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）中的Kintex芯片（21）上；

所述UHP灯模块（8）包括UHP blaster（81）及UHP灯（82），UHP灯（82）与UHP blaster（81）连接；UHP blaster（81）与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）中的ZYNQ芯片（11）连接。

2.根据权利要求1所述的数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，其特征在于，所述HDMI视频输入输出模块（16）由HDMI接口（161）及视频收发芯片SiI9616（162）组成，其中HDMI接口（161）与视频收发芯片SiI9616（162）连接，视频收发芯片SiI9616（162）与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）中的ZYNQ芯片（11）连接。

3.根据权利要求1所述的数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，其特征在于，所述HDMI视频输出模块（25）由HDMI接口（251）及视频输出芯片ADV7511（252）组成，其中HDMI接口（251）与视频输出芯片ADV7511（252）连接，视频输出芯片ADV7511（252）与FPGA可编程门阵列Kintex子系统（2）中的Kintex芯片（21）连接。

4.根据权利要求1所述的数字微镜器件驱动芯片FPGA原型验证平台，其特征在于，所述USB部分（17）由USB3.0接口（171）、USB2.0接口芯片（172）组成；其中USB3.0接口（171）中的USB3.0高速差分信号与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）中的ZYNQ芯片（11）连接；USB3.0接口（171）中的USB2.0差分信号与USB2.0接口芯片（172）连接；USB2.0接口芯片（172）与FPGA可编程门阵列ZYNQ子系统（1）中的ZYNQ芯片（11）连接。

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