CN113050385B - 一种dmd光刻机中灰度图像数据存储方法 - Google Patents

一种dmd光刻机中灰度图像数据存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，包括：步骤1：计算机的上位机软件对灰度图像文件进行读入并解析，解析完成后以像素为单位，通过USB接口将图像数据和指令发送给USB接口芯片；步骤2：USB接口芯片将接收到的图像数据和指令发送给FPGA芯片；步骤3：FPGA芯片在接收到以像素为单位的灰度图像数据后，先将每个像素数据拆分为位平面数据，再通过移位寄存方法进行数据格式转换；步骤4：通过间隔存储方法将格式转换后的位平面数据存储于DDR2的内存中；步骤5：根据指令更新DMD显示状态；本发明使用移位寄存的方法对接收到的数据进行位操作，即可完成数据的拆分和拼接，操作简便且节省BRAM资源，同时还解决了存储大尺寸图像的问题。

Description

一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法
技术领域
本发明属于数据存储技术领域，尤其是涉及一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法。
背景技术
DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜器件)是德州仪器的开发的一种将光机械和电子机械相结合的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微机电系统)器件，DMD是DLP(Digital Light Processing，数字光处理)技术的基础[1]。DMD有两种稳定状态，通过两种状态下微镜的偏转方向来控制光路的“打开”和“关闭”[1]。DMD技术因其具有反射效率高，分辨率高，对比度高，稳定性好，刷新速度快等优点被用于数字光刻领域[2]。
在使用DMD时，需要先将图像数据从上位机中传送到DMD板卡上，DMD板卡使用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)芯片作为板卡的主控制芯片，完成对图像数据的接收、存储和读取，同时需要完成对DMD显示的控制。DMD显示需要图像数据，一般图像数据由上位机发送给DMD板卡，DMD板卡在接收到数据后进行存储，在刷新DMD器件时将数据读出并发送给DMD器件。
n位灰度图像数据中每个像素点有n位数据，一张图中存在2n种不同亮度，同时每张灰度图像可以拆分位n张二值图像，按其亮度分为位平面0、位平面1……位平面(n-1)。DMD器件同一时间只能显示一个二值图像，即DMD同一时间显示的图像只有亮和不亮两种两度，所以DMD显示灰度图像时需要利用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)的方式对n个位平面图像进行时间灰度调制，依次显示每一个位平面的图像，通过控制每个位平面显示时间完成灰度图像的显示。灰度图像数据在通用计算机平台上是按像素进行存储，n位灰度图像每个像素占用n位数据，但在DMD显示时，图像数据需要将n个位平面的数据依次传输给DMD，所以在完成DMD显示时，图像数据需要进行一次格式转换。
周浩等在上位机中对n位灰度图像进行拆分，分解为n张二值图像，再通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)将数据传送给板卡上的CY7C68013A芯片，CY7C68013A芯片再将数据传送FPGA，并经FPGA将数据缓存至DDR2(Double Data Rate 2，第二代双倍数据率)内存[3]；池文明与[3]中方法类似，其在存储图像时，便存储n张二值黑白图像，上位机直接依次读取、发送n张二值黑白图像[4]；宋振清利用DVI(Digital VisualInterface，数字视频接口)和HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口)接收上位机的图像数据，接收到的数据是一个个的n位灰度像素数据，先利用FPGA芯片内部FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器数据进行一次并串转换和一次串并转换后，再利用其提出的如图1所示的分块存储法对数据进行存储[5]。文献[3]和[4]都是在上位机中对图像进行拆分，再依次传输每个位平面给DMD板卡；文献[5]提出的方法解决了需要在上位机中进行位平面拆分的问题，但该方法中对灰度图像数据进行转换时需要利用两级FIFO进行一次并转串，在向DDR2写入数据时再利用FIFO进行一次串转并，操作繁复且FIFO需要使用FPGA芯片内部的BRAM(Block Random Access Memory，块随机存取存储器)资源，同时分块存储的方法需要预先对DDR2内存按照图像大小进行分块，一但需要传输的图像纵向长度超过DMD纵向像素数的大尺寸图像时便无法存储数据，而在光刻机实际应用中经常出现需要蚀刻的图像纵向长度超出DMD纵向像素数的情况。
DMD的物理特性决定每个像素只有“开”和“关”，在显示时同一时刻只能显示二值图像，显示灰度图像时通常通过时间灰度调制的方法完成灰度图像显示，即控制灰度图像中每个位平面显示时间。灰度显示时，需要顺序加载各位平面的数据至DMD进行显示。要显示如图2所示的灰度图像，需要按图3中所示依次加载8个位平面，并利用时间灰度调制的方法控制每个位平面显示时间，每个位平面图像下显示了各位平面完成时间灰度调制所需要显示的时间，T为时间灰度调制的基准时间。
通用计算机系统中，由于显示器可以单独控制每个像素点的亮度，所以在显示时按照顺序加载每个像素的数据即可，因此通用计算机系统中图像数据均是按照像素顺序进行存储。通用计算机显示图像时数据加载顺序如图4所示。
由于上述DMD显示灰度图像时数据加载方法与通用计算机系统中的差别，如果DMD控制器中图像数据也按照通用计算机系统中图形数据存储方式存储的话，每次读取一个像素数据而这一个像素数据中每次仅使用其中一位数据，会导致DDR2等效的读取速率降低，无法满足系统要求。因此传统方法一般是利用计算机上位机软件需要对图像数据进行处理，计算机上位机软件对图像进行拆分位平面，拆分后依次将各个位平面数据传输至DMD控制器，DMD接收到数据后先利用FPGA中FIFO对数据进行拼接，拼接后的数据按照分块存储的方法将各个位平面数据存储到预先分配好的内存中。此方法存在如下缺点：
1、利用上位机进行图像位平面拆分，只是对数据进行位操作，既不会减少传输的数据量，FPGA接收到数据后仍需要进行数据处理，也不会减少FPGA中资源占用，只是增加了数据处理步骤。
2、FPGA接收图像数据时利用FIFO进行数据拼接处理，即通过FIFO对接收到底数据进行数据位宽转换，由于转换比过高，需要使用两级FIFO，这种数据处理的方法逻辑复杂且占用BRAM资源。
3、DMD控制器需要预先按照图像数据大小对DDR2内存进行分块，分块完成后无法调整每个块的大小，灵活性较差，只能存储特定大小的图像数据，无法存储大尺寸图像数据，实际应用中增加了不便。
以下为上述背景中涉及到的文献名称：
[1]Texas Instruments.DMD 101：Introduction to Digital MicromirrorDevice(DMD)Technology[EB/OL].https：//www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/dlpa008,Feb,2018.
[2]唐志方,牟达,杨旭,等.基于DMD的数字光刻定焦变倍投影系统设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2019,42(02)：56-60.
[3]周浩,张涛,崔文楠.基于数字微反射镜器件(DMD)灰度显示帧频提高技术研究[J].科学技术与工程,2014,14(21)：257-261.
[4]池文明.用于光刻成像的DMD图像曝光方法研究与实现[D].电子科技大学,2017.
[5]宋振清.DMD高帧频动态场景模拟器控制系统设计[D].西安电子科技大学,2017.。
发明内容
本发明目的是提供一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，通过优化数据格式转换，使用移位寄存方法对接收到的图像数据进行位操作，即可完成图像数据的拆分和拼接，操作简便且节省BRAM资源；然后通过间隔存储方法调整各位平面图像数据存储方式，解决无法存储大尺寸图像的问题，同时在DMD滚动显示大尺寸图像时，本发明提出的方法能够很方便的实现滚动显示时图像数据的读取。
本发明的技术方案是：一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，包括以下步骤：
步骤1：计算机的上位机软件对灰度图像文件进行读入并解析，解析完成后以像素为单位，通过USB接口将图像数据和指令发送给USB接口芯片；
步骤2：USB接口芯片将接收到的图像数据和指令发送给FPGA芯片；
步骤3：FPGA芯片在接收到以像素为单位的灰度图像数据后，先将每个像素数据拆分为位平面数据，再通过移位寄存方法进行数据格式转换；
步骤4：通过间隔存储方法将格式转换后的位平面数据存储于DDR2的内存中；
步骤5：根据指令更新DMD显示状态。
作为优选的技术方案，所述FPGA芯片包括数据接收存储电路、DDR2读写电路、FIFO存储器、DMD显示参数控制电路和DMD显示驱动电路；
其中所述数据接收存储电路，接收USB接口芯片传输的图像数据并进行初步寄存，将图像数据拆分为位平面数据，并通过移位寄存器对数据的位宽进行转换，使数据位宽满足DDR2读写电路的读写要求；
所述DDR2读写电路，对DDR2的内存进行读写操作；
所述FIFO存储器，用于在DMD显示时，对图像数据进行缓存；
所述DMD显示参数控制电路，接收上位机的DMD显示指令、或向上位机发送DMD当前显示状态；
所述DMD显示驱动电路，控制FPGA芯片与DMD芯片组之间的数据传输及DMD显示。
作为优选的技术方案，步骤3中所述移位寄存方法的具体步骤如下：
步骤31：在USB接口芯片传输的图像数据有效时，通过寄存器初步存储该有效数据，同时按照位平面对数据进行拆分；
步骤32：将得到的各个位平面数据通过移位寄存器进行存储；
步骤33：移位寄存器通过移位寄存更新数据，当移位寄存器中所有数据更新完成后，得到位宽满足DDR2读写电路要求的图像数据。
作为优选的技术方案，步骤4中间隔存储方法的具体步骤如下：
在移位寄存器中所有数据更新完成之后，按照顺序将各个位平面数据间隔存储写入DDR2的内存中。
作为优选的技术方案，步骤5中DMD显示的方法如下：
步骤51：在整幅图像显示时，按照位平面顺序依次读取各个位平面数据，如此反复最终读取出一副图像的数据；
步骤52：在长图像滚动显示时，改变各个位平面开始读取的首地址，完成对长图像的滚动显示。
作为优选的技术方案，步骤1中计算机的上位机软件作为人机交互界面，输入控制参数，控制DMD显示。
本发明的优点是：
1.本发明的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，通过优化数据格式转换，使用移位寄存方法对接收到的图像数据进行位操作，即可完成图像数据的拆分和拼接，操作简便且节省BRAM资源；然后通过间隔存储方法调整各位平面图像数据存储方式，解决无法存储大尺寸图像的问题，同时在DMD滚动显示大尺寸图像时，本发明提出的方法能够很方便的实现滚动显示时图像数据的读取。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为分块存储方式示意图；
图2为要显示的灰度图像例图；
图3为DMD显示灰度图像时各位平面数据加载顺序示意图；
图4为通用计算机系统中图像数据加载顺序示意图；
图5为FPGA内部电路原理框图；
图6为FPGA数据及指令接收处理流程图；
图7为间隔存储法各个位平面数据存储地址；
图8为数据格式转换时序图；
图9为写DDR2时序图；
图10为MIG模块写DDR2时序图；
图11为DMD需要显示的图像示意图；
图12为DMD滚动显示效果图。
具体实施方式
实施例：参照图5所示，一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，包括以下步骤：
步骤1：计算机的上位机软件对灰度图像文件进行读入并解析，解析完成后以像素为单位，通过USB接口将图像数据和指令发送给USB接口芯片；
步骤2：USB接口芯片将接收到的图像数据和指令发送给FPGA芯片；
步骤3：FPGA芯片在接收到以像素为单位的灰度图像数据后，先将每个像素数据拆分为位平面数据，再通过移位寄存方法进行数据格式转换；
其中所述移位寄存方法的具体步骤如下：
步骤31：在USB接口芯片传输的图像数据有效时，通过寄存器初步存储该有效数据，同时按照位平面对数据进行拆分；
步骤32：将得到的各个位平面数据通过移位寄存器进行存储，如：USB接口芯片的数据位宽为16，则每个有效数据传输两个像素数据，即每个位平面都得到两位数据，则每次将移位寄存器中原有数据左移两位，同时将收到的两位数据存入低两位中；
步骤33：移位寄存器通过移位寄存更新数据，当移位寄存器中所有数据更新完成后，得到位宽满足DDR2读写电路要求的图像数据，如：DDR2内存中数据位宽为64位，数据读写模式为突发读写且突发长度为4，则DDR2读写电路的数据位宽为256，在收到128个USB接口芯片发送的有效数据后，得到满足DDR2读写电路要求的数据，此时将各位平面数据写入DDR2内存中；
步骤4：通过间隔存储方法将格式转换后的位平面数据存储于DDR2的内存中；其中间隔存储方法的具体步骤如下：
在移位寄存器中所有数据更新完成之后，按照顺序将各个位平面数据间隔存储写入DDR2的内存中，如：突发读写长度为4时，第一次写入数据时，位平面0的数据写入地址为HA(Head Address，首地址)的存储空间中，位平面1的数据写入地址为HA+4的存储空间中，位平面2的数据写入地址为HA+8的存储空间中，如此将8个位平面数据写入DDR2中，第一次写入数据的地址即为各个位平面数据存储的首地址；下一次移位寄存器完成数据更新后，将各个位平面数据写入地址为：HA+32、HA+36、HA+40……，之后寄存器数据每更新完成，便如此反复将接收到的图像数据写入DDR2中；
步骤5：根据指令更新DMD显示状态，当接收到指令时，控制DMD显示指定图像或者长图像中的某个区间，并根据指令开始或者停止DMD的显示；其中DMD显示的方法如下：
步骤51：在整幅图像显示时，按照位平面顺序依次读取各个位平面数据，读取位平面0数据时，读取地址为HA、HA+32、HA+64……HA+98272存储空间中数据；读取位平面1数据时，读取地址为HA+4、HA+36、HA+68……HA+98276存储空间中数据；如此直至读取位平面7数据，读取地址为HA+28、HA+60、HA+92……HA+98300存储空间中数据，如此反复最终读取出一副图像的数据；
步骤52：在长图像滚动显示时，改变各个位平面开始读取的首地址，完成对长图像的滚动显示，滚动n行像素时，位平面0开始读取的地址为HA+128＊n，位平面1开始读取的地址为HA+4+128＊n，位平面2开始读取的地址为HA+8+128＊n……各个位平面内依旧是将地址依次加128；如：滚动一行像素时，位平面0开始读取的地址为HA+128，位平面1开始读取的地址为HA+132，位平面2开始读取的地址为HA+136……；滚动两行像素时，位平面0开始读取的地址为HA+256，位平面1开始读取的地址为HA+260，位平面2开始读取的地址为HA+264……。
参照图6所示，本实施例中所述FPGA芯片包括数据接收存储电路、DDR2读写电路、FIFO存储器、DMD显示参数控制电路和DMD显示驱动电路；其中所述数据接收存储电路，接收USB接口芯片传输的图像数据并进行初步寄存，将图像数据拆分为位平面数据，并通过移位寄存器对数据的位宽进行转换，使数据位宽满足DDR2读写电路的读写要求；所述DDR2读写电路，对DDR2的内存进行读写操作；所述FIFO存储器，用于在DMD显示时，对图像数据进行缓存，弥补DDR2速率低于向DMD写入数据的速率的问题；所述DMD显示参数控制电路，接收上位机的DMD显示指令、或向上位机发送DMD当前显示状态，完成对DMD显示和关闭的通知，也可指定DMD显示指定的图像或者长图像中的某个区间；所述DMD显示驱动电路，控制FPGA芯片与DMD芯片组之间的数据传输及DMD显示，其中USB接口芯片与FPGA芯片之间数据通信接口的数据位宽为16位，每个有效数据能够传输2个像素的灰度图像数据，DDR2内存按照突发长度为4的模式进行读写时，每次需写入256位数据，所以每接收到128个有效数据，寄存器中数据被更新过一轮，得到一个新的256位数据，此时将寄存器中数据写入DDR2，在得到下一个有效数据时继续进行移位暂存，如此反复已完成对上位机发送的数据的转换和暂存。
FPGA主要实现的功能如下：
1、接收上位机软件发送的图像数据和显示控制指令，并将图像数据进行转换以适应DDR2存储和DMD显示时对数据格式的要求；2、对DDR2内存进行读写操作，包括将上位机发送的图像数据写入DDR2，并在DMD显示时将图像数据读出，DDR2读写控制基于赛灵思公司的MIG(Memory Interface Solutions，内存接口解决方案)方案实现；3、完成对DMD芯片组的驱动控制，使DMD正确显示图像；4、根据上位机发送显示指令，控制DMD显示驱动电路按照指令要求进行显示。
本实施例中使用的内存条为SODIMM(Small Outline Dual In-line MemoryModule，小型双列直插式内存模块)型DDR2内存条，内存条数据位宽为64位，同时读写DDR2使用突发读写模式，突发长度为4，即每次读写需要读写连续的4个地址，所以读写一次DDR2至少需要读写256位数据。在每个时钟上升沿将16位数据中每个数据放到每个位平面数据对应的寄存器中，即每个时钟将寄存器中数据左移两位，再将新的16位数据中对应的两位数据放到寄存器中数据的低两位，为满足DDR2读写要求，寄存器数据位宽为256位。
使用硬件描述语言实现方法如下：
din_bitplane0<＝din_bitplane0(253 downto 0)&data_in(8)&data_in(0)；
din_bitplane1<＝din_bitplane1(253 downto 0)&data_in(9)&data_in(1)；
din_bitplane2<＝din_bitplane2(253 downto 0)&data_in(10)&data_in(2)；
din_bitplane3<＝din_bitplane6(253 downto 0)&data_in(11)&data_in(3)；
din_bitplane4<＝din_bitplane4(253 downto 0)&data_in(12)&data_in(4)；
din_bitplane5<＝din_bitplane5(253 downto 0)&data_in(13)&data_in(5)；
din_bitplane6<＝din_bitplane6(253 downto 0)&data_in(14)&data_in(6)；
din_bitplane7<＝din_bitplane7(253 downto 0)&data_in(15)&data_in(7)；
din_bitplane0至din_bitplane7为8个数据宽位为256的位平面数据的寄存器，data_in为16位输入数据。每过128个时钟，寄存器中数据被更新过一轮，此时将寄存器中数据写入DDR2，在下一个时钟上升沿继续进行移位暂存，如此反复已完成对上位机发送的数据的转换和暂存。相较于使用FIFO进行并串转换，再使用两级FIFO进行串并转换得到能够写入DDR2的数据的方法，本发明中使用移位寄存的方法，仅通过对接收到的数据进行位操作，即可完成数据的拆分和拼接，操作简便且节省BRAM资源。
在得到各个位平面256位数据后，使用本发明提出的间隔存储方法，解决无法存储纵向长度超过DMD镜头纵向像素数大尺寸图像的问题。即在数据格式转换完成之后，得到8个256位宽的数据，我们在将数据写入DDR2时按照地址一次将8个数据写入，在下一次得到新数据时再从之前地址顺序向后写入，这样同一个位平面的数据被间隔的存储在DDR2中，间隔存储法各个位平面数据存储地址如图7所示，HA(Head Address)为每张图像的首地址。
由于DDR2读写设置为突发长度为4的突发读写模式，所以每次读写DDR2时给出一个地址便能向此地址及此地址后3个地址中写入4个64位数据，即每次写入256位数据仅需要提供一个地址，下一个地址为此地址加4。从首地址到首地址+98303的地址范围内存储1024＊768尺寸的图像，在收到纵向尺寸大于768的大尺寸图像时，可以继续向后存储。
在进行DMD显示时，需要依次读出每个位平面的地址，读取时根据每个位平面首地址，从各位平面首地址开始，依次增加32进行读取，至首地址加98272为止，便可读取该位平面图像数据。在DMD需要进行滚动显示时，只需要改变读取时的首地址便可，若每次滚动n行，一行有1024个像素点即需要1024位数据，首地址等于该位平面首地址加128＊n即可，得到滚动n行后的图像数据。
利用仿真软件对本发明中的方法进行时序仿真，数据转换过程进行时序仿真输入数据格式转换时序如图8所示，对DDR2进行写操作的时序如图9所示。通过时序图可以看到在进行数据转换时，每128个时钟完成一次位宽为256位的数据更新，在第128个时钟完成数据刷新的同时拉高使能信号data_wr_en_if_q。通过DDR2写入时序图可以在看到在使能信号data_wr_en_if_q被拉高后，将数据依次写入DDR2，与图10所示的MIG模块写DDR2时序相比较，满足写DDR2时序，能够将8个位宽位256的数据写入DDR2内存中；同时图12展示了本发明滚动显示图11所示图像，表明本发明中方法能够很好的完成数据格式转换和对大尺寸图像的存储。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算机的上位机软件对灰度图像文件进行读入并解析，解析完成后以像素为单位，通过USB接口将图像数据和指令发送给USB接口芯片；
步骤2：USB接口芯片将接收到的图像数据和指令发送给FPGA芯片；
步骤3：FPGA芯片在接收到以像素为单位的灰度图像数据后，先将每个像素数据拆分为位平面数据，再通过移位寄存方法进行数据格式转换；
步骤4：通过间隔存储方法将格式转换后的位平面数据存储于DDR2的内存中；
步骤5：根据指令更新DMD显示状态。
2.根据权利要求1所述的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，所述FPGA芯片包括数据接收存储电路、DDR2读写电路、FIFO存储器、DMD显示参数控制电路和DMD显示驱动电路；
其中所述数据接收存储电路，接收USB接口芯片传输的图像数据并进行初步寄存，将图像数据拆分为位平面数据，并通过移位寄存器对数据的位宽进行转换，使数据位宽满足DDR2读写电路的读写要求；
所述DDR2读写电路，对DDR2的内存进行读写操作；
所述FIFO存储器，用于在DMD显示时，对图像数据进行缓存；
所述DMD显示参数控制电路，接收上位机的DMD显示指令、或向上位机发送DMD当前显示状态；
所述DMD显示驱动电路，控制FPGA芯片与DMD芯片组之间的数据传输及DMD显示。
3.根据权利要求1所述的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，步骤3中所述移位寄存方法的具体步骤如下：
步骤31：在USB接口芯片传输的图像数据有效时，通过寄存器初步存储该有效数据，同时按照位平面对数据进行拆分；
步骤32：将得到的各个位平面数据通过移位寄存器进行存储；
步骤33：移位寄存器通过移位寄存更新数据，当移位寄存器中所有数据更新完成后，得到位宽满足DDR2读写电路要求的图像数据。
4.根据权利要求3所述的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，步骤4中间隔存储方法的具体步骤如下：
在移位寄存器中所有数据更新完成之后，按照顺序将各个位平面数据间隔存储写入DDR2的内存中。
5.根据权利要求1所述的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，步骤5中DMD显示的方法如下：
步骤51：在整幅图像显示时，按照位平面顺序依次读取各个位平面数据，如此反复最终读取出一副图像的数据；
步骤52：在长图像滚动显示时，改变各个位平面开始读取的首地址，完成对长图像的滚动显示。
6.根据权利要求1所述的DMD光刻机中灰度图像数据存储方法，其特征在于，步骤1中计算机的上位机软件作为人机交互界面，输入控制参数，控制DMD显示。
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