數(shù)字微鏡器件DMD(Digital Micromirror Device)由美國德州儀器公司于1987年發(fā)明[1]，由其構成的成像系統(tǒng)具有體積小,、重量輕,、呈像色彩豐富、清晰度高等優(yōu)點。應用十分廣泛,，已經(jīng)由最初的投影,、高清數(shù)字電視領域拓展到了立體顯示、平面印刷等方面[2],。相對于國外的領先技術,，我國在這方面的研究相對滯后，因此對數(shù)字微鏡及其驅動技術的研究具有重要的意義,。在數(shù)字微鏡器件的驅動開發(fā)過程中,，很重要的一個過程是尋找控制微鏡翻轉的最佳驅動波形和最優(yōu)驅動電壓。由于微鏡制作工藝不同,，物理特性各異,，不同的產品需要不同的驅動波形來滿足其驅動要求。目前的研究與開發(fā)中,，缺少普適的驅動波形實驗平臺,，而本文提出的設計滿足了這方面的需求。

1 DMD的驅動原理及其驅動影響因素
1.1 DMD的驅動原理
    數(shù)字微鏡器件是一種基于半導體制造技術,，由高速數(shù)字式光反射開關陣列組成[3],。將一個數(shù)字式光反射開關稱為一個微鏡單元。在呈像過程中,，每個微鏡單元對應了圖像中的一個像素,，通過控制微鏡的旋轉角度與時間來改變呈現(xiàn)的圖像及其特性。圖1為一個微鏡單元的機械結構,，微鏡有3個微型電極,，分別為：VON、VMIRROR,、VOFF,，其中VMIRROR為偏置電壓，VON,、VOFF為驅動電壓,。這3個微型電極可以被數(shù)字信號激活，控制微鏡開關的電平可由式(1)和式(2)得到：

    當V開為高電平,、V關為低電平時,鏡片迎著光源(開啟),將會有一個白色像素通過鏡頭反射到屏幕上;當V開為低電平,、V關為高電平時，鏡片避開光源(關閉),，鏡面像素在熒幕上的位置呈現(xiàn)深色,。實現(xiàn)了通過數(shù)字信號調節(jié)微鏡單元的翻轉方向，進而改變呈像,。為了產生灰度變化的圖像,，需要控制微鏡開關狀態(tài)的時間。通過控制高電平的持續(xù)時間，即改變驅動波形的占空比實現(xiàn)：V開保持高電平的時間長,，則微鏡開啟時間也長,，對應的灰度像素就淺；V關保持高電平的時間長,，則微鏡關閉時間也長,，對應的灰度像素就深。微鏡工作示意圖如圖2所示,。

1.2 DMD的驅動影響因素
    在DMD芯片中,，微鏡是最小的工作單位，也是影響其性能的關鍵,。DMD是微機電系統(tǒng)MEMS的一員,，通過靜電力的作用控制微鏡的偏轉[4]，因此微鏡的工作性能與其制作工藝息息相關,。在微鏡翻轉的過程中,，微鏡在機械結構限位和控制電壓的作用下，最終穩(wěn)定在相應的位置[5],，因此其機械結構與控制電壓需要完美配合,，才能保證微鏡的完美工作。
    通過上述分析可知,，不同的制作工藝,，不同的微鏡機械結構都會對數(shù)字微鏡器件的驅動波形提出不同的要求。針對不同的微鏡,，對應的最佳工作模式也有所不同,，需要在驅動開發(fā)過程中尋找最佳的驅動波形模式。
2 系統(tǒng)功能與整體方案
2.1 系統(tǒng)功能
    本系統(tǒng)由數(shù)字微鏡驅動器和電壓轉換器兩部分構成,，實現(xiàn)驅動波形的設定,、產生以及調整。其優(yōu)點在于：(1)增強了系統(tǒng)的靈活性,，方便擴展其他功能,；(2)操作簡單方便，可控性強,。整個系統(tǒng)具有很強的可變性,，針對不同的數(shù)字微鏡器件,，可以方便地設定驅動波形,，調整驅動電壓，進而確定最佳的工作狀態(tài),，其中電壓幅度范圍可以達到10 V~60 V,。
2.2 整體方案
    系統(tǒng)整體設計分為兩個部分：數(shù)字微鏡驅動器和電壓轉換器。數(shù)字微鏡驅動器主要完成接收PC的參數(shù)設定，產生波形,、調整波形,，其中與PC之間的通信是基于USB完成的。電壓轉換器主要完成驅動電壓的轉換,，以及負載電流的采集與放大,。
3 硬件電路設計與實現(xiàn)
3.1 數(shù)字微鏡驅動器的硬件系統(tǒng)
　　數(shù)字微鏡驅動器作為驅動波形實驗平臺的核心部分,其硬件系統(tǒng)如圖3所示,該系統(tǒng)結合了ARM微處理器(S3C2440)與FPGA。ARM微處理器作為控制核心,，主要實現(xiàn)以下功能： (1)與PC通信,，實現(xiàn)對數(shù)字微鏡器件驅動波形相關參數(shù)的編輯與輸入；(2)與FPGA通信,，傳遞目標驅動波形的相關參數(shù)以及控制指令,； (3)控制光源控制器(色輪、LED,、Laser),； (4)控制觸摸屏，用于菜單顯示,、狀態(tài)顯示以及簡單的控制與設置,； (5)處理電流反饋信息，并及時調整驅動波形,。本系統(tǒng)充分利用了ARM微處理器豐富的外部接口,，包括觸摸屏、USB接口等,，很好地提高了系統(tǒng)的實用性,，操作更為人性化。
    FPGA是本系統(tǒng)的另一個核心處理器,，與ARM微處理器相比具有同步性好,、精確度高、可靠性好等特點,，更加適合用于最終產生驅動微鏡進行快速翻轉的驅動波形,，本文所選用FPGA的時鐘為100 MHz，滿足了驅動波形的編輯需求,，并且波形的編輯簡單,、操作容易，便于開發(fā)者方便快捷地確定微鏡的最佳驅動波形,。
3.2 電壓轉換器的硬件實現(xiàn)
    電壓轉換器用于將FPGA輸出的3.3 V的CMOS驅動信號轉換成電壓幅度,滿足微鏡陣列驅動要求的驅動波形,，圖4所示為電壓轉換器的電壓轉換原理圖。在本電路中,，選用IR2105作為MOS管的驅動芯片,。這是一款高電壓,、高速度的MOS管驅動芯片，其輸入的邏輯電平與CMOS電平以及TTL電平相兼容,。因此,，F(xiàn)PGA的輸出信號可直接作為IR2105的輸入信號，其輸出信號HO與輸入信號的相位一致,，LO與輸入信號的相位相反,。當輸入信號為高電平時，HO為高電平,，LO為低電平,，此時，Q1導通,，Q2截止,，輸出高電平(VCC)；當輸入信號為低電平時,，HO為低電平,，LO為高電平，此時,，Q1截止,，Q2導通，輸出低電平(0 V),。因此輸出端得到高電平為VCC,，低電平為0，與輸入信號同相的驅動波形,。其中VCC可以通過外加電源直接進行調節(jié),，高電平的調節(jié)范圍取決于所選擇的MOS管漏極能承受的最大電壓,因此10 V~60 V的電壓幅度范圍可以輕松實現(xiàn)。當輸出電壓為VCC時,，根據(jù)式(3)可知,，負載電流只與負載有關，具有很強的電流驅動能力,。

    Iload=VCC/Rload   (3)
4 軟件設計方案
4.1 ARM微處理器的控制功能
    ARM微處理器作為控制的核心,，其控制流程主要包括：光源的控制與檢測、負載電流的檢測,、控制菜單的顯示,、觸摸屏的控制以及驅動波形主要參數(shù)的編輯與傳遞。
    在主函數(shù)執(zhí)行的操作：對控制界面以及數(shù)字微鏡的狀態(tài)進行初始化,；啟動光源并檢測其工作狀態(tài),，一旦發(fā)現(xiàn)異常，即關閉光源,；系統(tǒng)進入循環(huán)工作和檢測狀態(tài),，主要包括控制界面的檢測、負載電流的檢測以及光源的檢測,。根據(jù)控制界面的檢測結果,，執(zhí)行相關的指令(改變參數(shù)、控制微鏡開關等),；分析負載電流的反饋大小調整驅動波形,；光源工作異常時，及時退出循環(huán),，關閉光源,。
4.2 FPGA的工作流程
    在波形發(fā)生器的工作過程中，F(xiàn)PGA主要用于根據(jù)驅動波形的相關參數(shù)產生對應的驅動波形,，其工作流程如下：置數(shù)字微鏡于“關”的狀態(tài),，當ARM微處理器有指令或參數(shù)傳遞時，執(zhí)行相關指令,。其中,，ARM微處理器傳遞給FPGA的指令與參數(shù)包括驅動波形的基本信息與參數(shù)、波形的產生與停止控制等,。
    整個實驗平臺充分利用了ARM微處理器強大的驅動和通信能力,，以及FPGA準確、快速的優(yōu)勢,。在保證了驅動波形的準確性與多變性的同時,更加方便和人性化,。
5 測試結果
   在實驗過程中，根據(jù)實驗平臺實現(xiàn)的功能,，設計了如圖5所示的操作界面,，實現(xiàn)了驅動波形相關參數(shù)(頻率和占空比)的編輯與更改、負載電流以及光源控制器工作情況的顯示,、系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制等,。

    圖6給出了通過實驗平臺產生的驅動波形，其中波形的占空比以及電壓幅度都是可以改變的,，進而得到形態(tài)各異的驅動波形,。

    本文提出了一種數(shù)字微鏡驅動波形實驗平臺的設計。該系統(tǒng)將ARM微處理器與FPGA相結合,，充分利用兩者的優(yōu)點,，并通過電壓轉換器對電平進行變換。最終實現(xiàn)了一個波形準確可變,、界面友好便捷,、適用廣泛的數(shù)字微鏡驅動波形實驗平臺，為數(shù)字微鏡驅動的開發(fā)提供了很好的實驗平臺,。
參考文獻
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