CN114089555B - 一种基于fpga的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，应用于液晶器件驱动技术领域，针对现有技术的刷新率低的问题；本发明的方法基于FPGA实现，通过移位合成法生成多通道可调正弦波，用于驱动液晶器件；本发明中的算法简洁易实现，可配合任意DAC使用，运算速度快，支持多通道并行独立调幅，且不增加任何额外的电路元器件，成本低廉，具有极高的实用价值。

Description

一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法
技术领域
本发明属于液晶器件驱动技术领域，特别涉及一种液晶器件驱动技术。
背景技术
液晶器件有如下工作原理：外加电压越大时，液晶分子的倾斜角度越大(越接近垂面排列状态)，对应的透射光的强度越大；外加电压越小，液晶分子倾角越小(越接近沿面排列状态)，对应的透射光强度越小。即通过控制外加电压的大小，可以利用液晶实现光束调制的功能，因此需要对加载到液晶器件上的电压进行调幅。
液晶器件由交流电压信号来驱动。在驱动频率较低的情况下，如目前显示器常用的几十赫兹，常用方波电压信号来驱动；而在较高频的情况下，如某些快速响应的液晶器件，需要千赫兹级别的驱动频率，而方波信号的频谱存在高次谐波，由于液晶对频率敏感，这些高次谐波会导致液晶器件响应混乱，甚至无法被正确驱动。因此，在较高频率的场景下，应使用频谱为单点的正弦信号来驱动液晶器件。此外，液晶器件通常为阵列型器件或级联的器件，通常需要对几十到几百个通道进行驱动，因此控制系统必须能支持多通道的独立控制。
基于上述原因，需要产生多通道幅度可调，频率为千赫兹级别的正弦信号，用于驱动快速响应的液晶器件。目前，常用的正弦信号产生方法为直接数字频率合成(DirectDigital Frequency Synthesis,DDS)法，该方法能产生频率、相位可调的正弦信号输出。但DDS不能直接对输出信号的幅度进行调制，传统的解决方案中调幅方法有三种。第一种方法是在每个DAC通道串联一个电位器，通过调节电位器来实现正弦波的幅度调整，但该方法在多通道的情况下，由于每个通道都需要串接电位器，会导致电路复杂和应用成本高；第二个方法是调节DAC的参考电压，以达到调整正弦波幅度的目的，但需要所用的DAC支持实时调节参考电压，同时对于同一片DAC的不同通道，无法独立的进行调节；第三个方法是使用FPGA内部的乘法器，通过对电压代码进行乘法运算来调整输出信号幅度，但FPGA内部乘法器资源有限，在多通道的场景下无法并行计算，进而导致计算速度慢，拉低整个系统的刷新率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，采用FPGA纯硬件平台实现，通过移位合成法生成幅度可调的正弦波，用于驱动液晶器件，在多通道独立可调的同时保持了较高的刷新率，同时不增加任何额外的电路元件，提高了运算速度和电路灵活性。
本发明采用的技术方案为：一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，所述方法基于的驱动系统包括：上位机、FPGA、多个独立通道；每个独立通道包括一个DAC、与DAC相连的电控二分之一玻片；所述FPGA包括：ROM、RAM以及与独立通道个数相等数量的移位合成模块，每个移位合成模块连接一个独立通道中的DAC；
所述方法包括以下步骤：
S1、预先通过MATLAB产生正弦函数并等间隔采样，得到一系列N位的DDS原始电压代码；
S2、从上位机接收各独立通道的目标电压；
S3、将每一个N位的DDS原始电压代码进行一系列右移，得到原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量；
S4、目标电压为二进制数，将目标电压从高到底的前N-1位分别作为原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量的权重；如果该分量的权重为1，则对应的寄存器被使能，对应的分量被缓存，如果权重为0则不使能，对应的分量不被缓存；
S5、通过将所有分量对应的寄存器值相加，得到对应独立通道的DDS输出电压代码，将各独立通道的DDS输出电压代码作为该独立通道DAC的输入信号。
步骤S1所述的这一系列N位的DDS原始电压代码存储于mif文件中，在使用时，FPGA调用采样数据的mif文件，用以初始化ROM。
所述从上微机接收的各独立通道的目标电压缓存在FPGA的RAM中。
步骤S3所述的一系列右移，具体为：所述FPGA包括N-1个寄存器，在同步赋值时通过高位截断并行产生原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量。
所述N的数值根据DAC的精度确定。
本发明的有益效果：本发明的方法采用FPGA纯硬件平台实现，通过移位合成法生成幅度可调的正弦波，用于驱动液晶器件，在多通道独立可调的同时保持了较高的刷新率；并且本发明的方法不占用FPGA内部的任何特殊资源，如乘法器等，仅通过少量基本逻辑单元即可搭建，因此可以轻易扩展至数百通道；采用本发明的方法具有以下优点：
1、本发明生成频谱单一的正弦波，可以避免在高频的情况下，使用方波驱动液晶器件，由于高次谐波引起液晶的响应紊乱；
2、本发明采用的调幅方法不增加任何额外的电路元器件，避免了每个DAC输出通道串联电位器，电路结构简单，应用成本较低；
3、本发明采用的调幅方法适用于任意DAC，不需要DAC本身具备任何特殊性，且同一片DAC上的每个通道能独立地进行调幅；
4、本发明采用的调幅方法不使用任何的乘法电路，在FPGA实现中资源占用率低，计算速度快，进而保证整个系统的刷新率。
附图说明
图1移位合成法的FPGA实现框图；
图2具体实施方式实现框图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法适用于多种应用场景，如在空间激光通信中，需要使用多套级联的液晶偏振光栅配合电控二分之一波片，共同实现大角度的偏转。其中每一级电控二分之一波片都需要幅度不同的1kHz正弦波进行驱动。通常单套空间激光通信系统包含几十个以上的电控二分之一波片，需要独立地控制，同时还要保持较高的刷新率。因此，传统的驱动方法无法同时满足高速、多通道独立可调、1kHz且频谱为单点的正弦电压输出的需求。
本发明提出一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，包括：
S1、通过MATLAB产生正弦函数并等间隔采样，得到一系列N位的DDS原始电压代码，其中数据位宽N取决于所选用DAC的精度。所得数据存储于mif(Memory Initialize File)文件中，待FPGA中的ROM调用；
在使用时，FPGA调用采样数据的mif文件，用以初始化内部存储器ROM，等待被各移位合成模块读取。
S2、如图2所示，同时从上位机接收各通道的目标电压，并缓存在RAM中，然后被各通道的移位合成模块读取。
S3、将ROM种缓存的每一个N位DDS原始电压代码进行一系列右移，得到原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1等N-1个分量，其基本原理是二进制数每右移一位即等同于乘以1/2。在FPGA内部实现中，所述的一系列右移实质上是由FPGA内部的N-1个寄存器，在同步赋值时通过高位截断并行产生，因此只需要1个时钟周期就能产生全部的电压分量。
S4、将目标电压的每一位作为对应分量的权重，即若目标电压代码在二进制编码下，从最高位起的第n位(1≤n≤N-1)为1，则DDS原始电压代码1/2n的分量权重为1，若目标电压该位为0，则对应分量权重为0。所述的权重，在FPGA实现中，对应的是存储每一个分量的寄存器的使能信号，如果该分量的权重为1，则对应的寄存器被使能，对应的分量被缓存，如果权重为0则不使能，对应的分量不被缓存。
S5、分别同步将原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1等一系列分量乘以多个通道对应的权重再相加，相加后得到各通道的DDS输出电压代码。在FPGA实现中，权重对应的是存储每一个分量的寄存器的使能信号，如果该分量的权重为1，则对应的寄存器被使能，对应的分量被缓存，如果权重为0则不使能，对应的分量不被缓存。因此，权重为0的分量寄存器值也为0，因此只需要将所有的分量寄存器的值直接相加即可。
所述右移和加权相加的原理是：通过采样得到的正弦原始电压VDDS的幅度，对应于输出电压范围的最大值Vmax。在实际使用中，要得到幅度小于原始电压的输出VOUT，DDS原始电压代码VDDS需要乘以一个衰减倍数α；考虑DAC电压代码的二进制编码方式，是将输出电压的范围分割为2N个区间，即N位编码，共2N个电压代码取值，因此输出电压最大值分割成的一个区间
Figure BDA0003379261930000041
乘以目标电压代码VTarget，得到的即为输出电压值
Figure BDA0003379261930000042
则衰减倍数α等于目标电压比上输出电压的最大值
Figure BDA0003379261930000043
设目标电压VTarget二进制编码从高到低的每一位分别为a1、a2、…、aN，即目标电压代码VTarget的二进制编码可表达为a12N-1+a22N-2+…+aN20，除以2N得到VTarget对应的衰减倍数为a12-1+a22-2+…+aN2-N，由此可得正弦输出电压代码VOUT＝VDDS×(a12-1+a22-2+…+aN2-N)。最终的输出电压代码，等于原始电压代码经过一系列右移，得到一系列分量，再加权相加的结果，其中某一分量的权重等于目标电压代码在二进制编码下的对应位。
上述计算过程可表述为：
VOUT＝VDDS×α
Figure BDA0003379261930000044
Figure BDA0003379261930000051
VOUT＝VDDS×(a12-1+a22-2+…+aN2-N)
本领域的技术人员应知对于一个N位编码的数据，在右移N次后就变成全0，因此上述公式中的2-N那一项的值为0，本实施例在推导过程中为了公式形式的完整性，对该项进行了保留，但在实际电路中电路只有前N-1项参与运算，同理目标电压的最低位aN也不参与运算。
所述多通道并行，即在多通道的应用场景下，可通过在FPGA内多次例化移位合成模块，构成多路并行的运算通道，可扩展的最大通道数受限于FPGA内部逻辑资源数。由于本发明的方法不占用FPGA内部的任何特殊资源，如乘法器等，仅通过少量基本逻辑单元即可搭建，因此可以轻易扩展至数百通道。
每一个电控二分之一波片都将对应一个独立的移位合成模块，独立地运算产生对应的DDS电压代码。将各通道的DDS电压代码分别传送到对应的DAC，使得离散的电压代码转换为连续的正弦波；最后由DAC输出正弦波到对应目标电压的电控二分之一波片处，以驱动该液晶器件。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，其特征在于，所述方法基于的驱动系统包括：上位机、FPGA、多个独立通道；每个独立通道包括一个DAC、与DAC相连的电控二分之一波片；所述FPGA包括：ROM、RAM以及与独立通道个数相等数量的移位合成模块，每个移位合成模块连接一个独立通道中的DAC；
所述方法包括以下步骤：
S1、预先通过MATLAB产生正弦函数并等间隔采样，得到一系列N位的DDS原始电压代码；
S2、从上位机接收各独立通道的目标电压；
S3、将每一个N位的DDS原始电压代码进行一系列右移，得到原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量；步骤S3所述的一系列右移，具体为：所述FPGA包括N-1个寄存器，在同步赋值时通过高位截断并行产生原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量；
S4、目标电压为二进制数，将目标电压从高到底的前N-1位分别作为原始电压代码的1/2、1/4、……、1/2N-1大小的N-1个分量的权重；如果该分量的权重为1，则对应的寄存器被使能，对应的分量被缓存，如果权重为0则不使能，对应的分量不被缓存；
S5、通过将所有分量对应的寄存器值相加，得到对应独立通道的DDS输出电压代码，将各独立通道的DDS输出电压代码作为该独立通道DAC的输入信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，其特征在于，步骤S1所述的这一系列N位的DDS原始电压代码存储于mif文件中，在使用时，FPGA调用采样数据的mif文件，用以初始化ROM。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，其特征在于，所述从上微机接收的各独立通道的目标电压缓存在FPGA的RAM中。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的高速多通道可调点频液晶器件驱动方法，其特征在于，其特征在于，所述N的数值根据DAC的精度确定。
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