基于MEMS 光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法

孙文轩，陈保同

（1.中航航空电子有限公司，北京 100086；2.航天信息股份有限公司涿州分公司，北京 100097）

目前传统的基于单片机控制的动态图像显示控制方法主要通过采用单片机作为驱动电路的核心模块，对显示控制电路进行设计，实现动态图像的调用[1]。该种方法可以在一定程度上满足动态图像的显示控制需求。同时，单片机作为新型显示器元件，具备制造成本低、响应速度快、价格低廉、抗震性较高等优秀性能。但是，由于单片机的使用能耗较高，在使用时会对屏幕显示器产生较大的电压负荷和电流负荷，使用时间过长将会导致屏幕显示器使用寿命变短，其图像的显示性能也会受到影响。并且，该显示控制方法的灵活度较差，对于清晰度不同的动态画面，显示的效果也会存在较大差异，无法满足高精度屏幕的显示控制需求。因此，需提出新型的动态图像显示控制方法，旨在满足帧数较高图像的显示控制需求，同时也需要在最大使用限度内，减少屏幕显示器的电压负荷，提高显示指令的传输速度，为动态图像的高分辨率展示提供可靠的方法。MEMS 光栅光调制器可根据光的强度，将屏幕数据内容分为不同的灰度图像，从而实现对图像的高效控制。同时由于该调制器的使用能耗较低，可以低负荷运转的情况下完成控制指令的传输与调用，因此可以解决目前显示器电压负荷较高的问题。将MEMS 光栅光调制器与传统的图像显示控制技术进行结合，可以在实现高分辨率动态图像调用的同时，对屏幕显示器产生最低的电压负荷，从而保障屏幕显示器的使用寿命，维护显示器在电力控制方面的性能[2]。

1 基于MEMS 光栅光调制器阵列的动态图像显示控制

1.1 基于MEMS 光栅光调制器阵列的图像编码生成

由于MEMS 光栅光调制器的出光效率较高，且显示的灰度信息等级较高，对比度及饱和度等显示性能均占据较大优势，因此选用MEMS 光栅光调制器作为动态图像的显示载体[3]。通过软件的设计对图像数据进行调用，再采用数据线将数据发送到控制电路，实现对动态图像的显示与控制。由于PC 键盘端输送的指令形式为文字，MEMS 光栅光调制器无法对其进行有效识别，因此需要对PC 端输入的指令文字进行编码，得到对应的图像编码，具体实现步骤如下。

首先在MEMS 光栅光调制器的控制面板中，对兼容DC 进行创建，在该虚拟设备下创建出字号大小和兼容位图均为固定的字体，将该字体嵌入虚拟DC 兼容器中。为了使图片编码的显示更加清晰，将背景颜色和字体颜色设置成反差色，一般设置为黑白色，并将PC 键盘端输入的字母制定按照规定的模式转写到DC虚拟兼容位图中。此刻，DC 虚拟兼容位图中呈现黑色或白色的像素位置即可对应输入指令的字体编码位置。对DC 虚拟兼容位图上的像素灰度信息进行提取，根据像素的灰度判断出输入字母编码的像素排列情况。将该排列内容形成一个数据包，将该数据包的维度设置为二维，把每个指令字母对应的编码位置分别标注在二维数据包的下方。即可通过二维数据包的下表对应出字母编码，构建出基于MEMS 光栅光调制器阵列的图像灰度矩阵，实现对图像的编码[4]。

1.2 动态图像数据读写模式设计

在对图像编码进行生成后，为确保显示控制指令能够顺利地输送，需要对USB 数据控制器的读写模式进行设计，使其能够识别MEMS 光栅光调制器阵列生成的图像编码，具体实现步骤如下[5]。

USB 控制器内部的指令数据传输主要是通过“full”和“empty”2 个控制信号实现的。当控制信号为“full”时，代表此刻USB 控制器的读写性能已饱和，无法对显示控制指令进行读写；当控制信号为“empty”时，代表无法对FIFO（First In First Out）数据进行读写。因此，为提高动态图像数据的读写性能，选取异步读写的方式，对显示控制的指令数据进行读写[6]。异步读写的控制波形如图1 所示。

图1 异步读写控制波形

根据上述的控制波形可以看出，首先由FPGA（Field Programmable Gate Array）对控制器中的显示控制数据指令进行读取，经由SLOE 输出线路的传输，在低电平情况下降读写数据传输到DATA 数据线上，该数据线将读写数据转为高电平模式，通过控制芯片传输到FPGA 可编程逻辑阵列中，此刻控制芯片可接收到MEMS 光栅光调制器阵列生成的图像编码数据，实现显示指令的调用与执行[7]。

1.3 动态图像显示控制电路设计

确定了动态图像数据的读写模式后，即可对MEMS光栅光调制器数字控制电路进行设计，使其能够对动态图像的显示情况进行控制，具体实现步骤如下。

本次动态图像显示控制的电路采用HDL 硬件语言进行设计，电路采用的芯片为FPGA。控制电路的具体实现路径为通过读取键盘端的显示控制指令，将指令转换为动态图像编码数据，然后使用灰度脉宽调制算法输出显示控制信号，实现对动态图像的显示与控制，电路的功能模块结构如图2 所示。

图2 动态图像显示控制电路功能模块结构图

根据上述电路功能模块结构图可以看出，PC 键盘端输入的显示控制指令通过USB 控制器的处理，传输到格式转换电路及USB 接口电路中。其中，格式转化电路的图像对灰度数据进行了格式的转换，将指令的文字模式转换为图像编码模式。USB 接口电路传输的指令数据通过DC 兼容位面转换控制器流通至格式转换电路中，并进入缓存器进行数据缓存。二进制脉宽调制电路对缓存器中的指令数据进行读取，采用灰度算法生成图像控制信号，输出到MEMS 光栅光调制器驱动电路中，实现对动态图像的显示与控制。

根据上述步骤即可对动态图像显示控制电路进行设计与规划，得到显示控制指令传输的完整路径。至此，基于MEMS 光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法设计完成。

2 实验部分

为证明提出的基于MEMS 光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法在减少负荷电压能力上优于传统的动态图像显示控制方法，在理论部分完成设计后，对该显示控制方法的实际控制效果进行检验。

2.1 实验环境

为提高实验结果的可靠性，本次实验选取了2 种传统的动态图像显示控制方法作为对比对象，分别为基于单片机控制的动态图像显示控制方法及基于复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）的动态图像显示控制方法。本次实验选取的评价指标为数据的读取能力，通过嵌入式分析仪，探测出显示控制模块在对图像进行控制时的数据传输波形图，比较波形图的稳定情况，进而判断出动态图像显示控制方法的有效程度。

本次实验采用到的设计代码为RTL 代码，用于实现动态图像的显示控制电路，通过采用代码对电路进行编译，将构建的数据包加入到实验组中，并对STP 文件进行配置。为了提高实验的采样精度，选用高性能嵌入式逻辑分析仪，对控制电路芯片发射出的数据进行捕捉。将逻辑分析仪的接口与显示控制电路的接口通过HDMI 数据线进行连接，实现对显示控制芯片的交互。将逻辑分析仪捕获的信号作为样本信号，本次实验共提取出2 组样本信号，分别为高电平状态下的样本信号及低电平状态下的样本信号，具体信号波形如图3、图4 所示。

图3 嵌入式逻辑分析仪捕获的低电平样本信号波形

图4 嵌入式逻辑分析仪捕获的高电平样本信号波形

为提高实验结果的准确性，本次实验选取的高电平范围为3.5、4.0、4.5、5.5 V；低电平的电压范围为0.5、1.0、1.5、2.0 V。通过对上述2 种显示控制信号进行提取，采用3 种动态图像显示控制方法，再现出以上2种图像波形，并比较在该状态下3 种图像显示控制方法所需工作电压与吸合电压均值，以此判定出显示控制方法的性能。

2.2 实验结果

本次实验采取的对比标准为光栅光调制器阵列的工作电压和吸合电压均值，该值越大代表显示控制方法的性能更高。通过采用3 种显示控制方法，对样本图像进行控制，并通过万用表记录下不同波形的显示图像所需要的工作电压和吸合电压，比较3 种方法的电压负荷能力，具体实验结果见表1。其中，传统控制方法1 代表基于单片机控制的动态图像显示控制方法，传统控制方法2 代表基于CPLD 的动态图像显示控制方法。

表1 电压负荷均值对比结果

根据上述实验结果可以看出，在波形不同的动态显示画面下，图像显示控制方法所需要的工作电压和吸合电压均有较大的差别。其中，传统的动态图像显示控制在对分辨率较高的图像进行控制时，需要的工作电压和吸合电压明显更高，其电压均值在10 V 以上，说明传统的动态图像控制显示方法对于显示器的电压负荷较大，不利于屏幕显示器的长时间运行。而本文提出的基于MEMS 光栅光调制器阵列的动态图像显示控制方法在对图像进行显示控制时，所需的电压明显更低，其工作电压和吸合电压均低于2 种传统的显示控制方法，平均电压不到8 V，说明本文提出的图像显示控制方法对显示器的电压负荷较小，有利于提高动态图像显示器的显示性能，满足对高分辨动态图像的显示与控制。

3 结论

本文所提出的动态图像显示控制方法与MEMS光栅光调制器阵列进行了有效结合，通过对PC 键盘端的文字指令进行编码，生成了可供MEMS 光栅光调制器识别的图像编码数据，有效提高了显示控制指令的传输性能与效率。在今后的研究工作中，还需对光栅光调制器可识别的图像灰度等级及高分辨率像素等级内容进行更深入地研究，采用固定的设备和驱动程序，设计出可行度更高的图像显示控制方案。