【2021研电赛】基于DMD的超高清激光显示系统

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为大家分享一下第十六届研究生电子设计竞赛全国一等奖作品：基于DMD的超高清激光显示系统 by 华东师范大学魔力DMD团队。

参赛单位：华东师范大学
参赛队伍：魔力DMD
指导老师：刁盛锡 刘一清
参赛队员：高源 倪瑶 谢祖炜

1.作品简介

2019年中国激光投影市场研究报告显示，DLP投影占激光投影仪市场的91.9%，DLP投影技术在家庭、教育、会议、测量、军事、汽车电子、工业制造、专业影剧院等场景中的应用愈发普及。

数字微镜器件（DMD）是 DLP 投影技术中的核心光电转换器件，而目前 DMD被美国德州仪器（TI）公司独家垄断，并且由于 DMD 驱动时序复杂，市场上的驱动方案都采用了美国 TI 公司的专用驱动芯片。但是这些专用驱动芯片主要是针对传统视频投影应用进行设计的，对于近年来新兴的投影应用系统开发，目前的 DMD 专用驱动芯片存在通用性差和应用扩展性低的问题，所以本作品针对目前DMD专用驱动芯片在新兴投影应用领域中存在的问题自主设计了数字微镜投影驱动芯片，同时在 FPGA 原型验证平台上进行实现与验证；视频编解码芯片的配置、部分光学接口的控制，由STM32芯片完成。该投影驱动芯片可以 IP 软核授权的方式提供给使用方，替代目前使用专用驱动芯片的驱动方案，通用性强，可针对具体应用进行灵活扩展，提高了系统的集成度。

本作品兼容多种前端视频处理、DMD后端驱动，兼容多激光光源、多色轮，并留有拓展与交互接口，可为各大投影厂商选择国产方案提供了可定制化的驱动平台，应用前景良好。

2.硬件介绍

由于4kDMD驱动板相对复杂，共31页原理图，所以在原理图的设计上本团队采用自顶向下的top design的顶层设计方式，包括FPGA的bank及相应外设连接。

电源方面，4kDMD主控板结合主控芯片与外设供电电压的需求，选取五种电源芯片：分别为TI公司的TPS53355、TPS62130、TPS51200以及MAXIM公司的MAX8556。提供总计15路电源，16种供电电压为整个系统供电。供电电压最高12V，最低-12V。

4kDMD驱动板LVDS接口部分，共有4个高速LVDS接口，选用FI-RE51S-HF型号座子，每个座子有51pin引脚。本系统中共连接72对差分对，19根单端线到FPGA，均连接到2.5V的HR bank。可驱动最高2716*1528分辨率数字微镜芯片，也可通过更换子板兼容其他封装的数字微镜芯片。

4kDMD驱动光学外设部分包括色轮接口、激光光源接口、振镜接口、UHP灯控制接口等。色轮接口包括荧光轮驱动与色轮驱动。两种色轮的驱动方式相同，因此选择两片A8904电机驱动芯片进行控制。色轮反馈方面，为了信号稳定，增加了LM393比较器。

由系统性能指标可知，本系统视频输入支持HDMI2.0标准接口，为4k超高清DMD驱动输入视频信号。视频接口同样为HDMI2.0标准接口，用于系统调试。

由于本系统选用的Kintex7系列FPGA芯片没有HDMI接口IP核，为了降低后续FPGA程序设计实现的工作量，此处使用GSCOOLINK公司的GSV2011视频编解码芯片。该芯片作为视频编解码芯片，具有HDMI2.0接口收发、并向下兼容HDMI1.4接口的功能；同时支持4k@60Hz，RGB888的LVDS接口数据格式。

该芯片充分满足本系统对视频输入以及调试方面的需求，因此在本系统板4kDMD驱动板的HR bank挂载一片GSV2011，同时在GSV2011上连接HDMI2.0输入输出两个接口。

GSV2011的配置由STM32完成，留有IIC、SPI等多种通信接口与FPGA互联，留有SPI接口与其他板子进行板间互联。STM32同时进行光学接口的部分控制。

下图为4kdmd驱动板硬件展示图：

3.算法介绍

本系统中软件设计复杂，状态机庞杂。具体算法可概括为以下五项：
1、视频格式转换单元
2、色域空间转换单元
3、驱动算法方案设计单元
4、交互模块控制单元
5、光学接口控制单元

4.投影效果展示

由此可以看到4k@60Hz画面相较于传统的2k@60Hz，单帧像素点变为原来的4倍。画面更加清晰，细节更为细腻。

5.未来展望

本作品搭建了一套打破TI公司垄断的、低延时的4k超高清双激光投影光机电系统，并且本作品兼容性强，通过子板的更换可以兼容各种不同分辨率的数字微镜芯片、为各大投影厂商选择国产方案提供了可定制化的驱动平台，应用前景良好。

本作品尚有不足之处，存在改进的空间：

• （1）板级布局的时候，HDMI接口与SDI接口等用户接口并没有与光机散热风扇等内部接口分离开，结构性存在缺陷，后续可进一步优化布局；
• （2）本作品为开发版本，系统硬件留有冗余，后续开发可进一步集成化节约成本；

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