一种基于4k数字微镜芯片的实时动态视频显示系统的制作方法

1.本发明涉及视频显示与数字微镜芯片驱动技术，尤其涉及一种基于4k数字微镜芯片的实时动态视频显示系统，其作为一种数字微镜芯片视频显示平台，可以驱动显示最高3840*2160分辨率的超高清动态视频，同时兼容驱动分辨率3840*2160、2716*1538、1920*1080、1024*768等多种视频。


背景技术：

2.随着人们生活品质的逐步提高，对大图像的需求也日益增加。投影作为唯一证明以合理的价格提供4k大图像尺寸的显示技术，正如日中天。投影技术从本质上来讲，可以分为数字光处理技术（dlp）和液晶显示器（lcd）两种。数字光处理技术（dlp）的投影原理决定了它所投射的画面对比度极高，光路系统设计得更紧凑，因此在体积、重量方面占优势。同时，激光技术作为下一代显示技术，具有色域范围广、寿命长、环保、节能等优点，将导致显示系统综合性能的革命性提升。而液晶显示器（lcd）的液晶类材料均为有机物，在高强度激光照射下会发生快速变性，寿命不能满足产品需要。由此，数字光处理技术（dlp）是激光显示的唯一选择。
3.据2019年中国智能投影市场年终总结显示，在投影显示市场中，2019 年数字光处理技术（dlp）的市场份额达到了 72.6%，占市场主导地位，而数字微镜芯片（dmd）作为数字光处理技术（dlp）的核心技术，一直由某国某公司技术封锁、独家垄断，国内在数字微镜芯片（dmd）领域进展缓慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有4k超高清数字微镜芯片视频投影驱动技术的不足而提供的一种基于4k数字微镜芯片的实时动态视频显示系统，本发明采用fpga可编程门阵列kintex子系统、电容触摸屏、子板模块、电源模块、色轮模块、uhp灯模块、三色激光模块、风扇模块、视频输入输出模块及交互模块，针对4k超高清数字微镜芯片（dmd）的驱动芯片设计以及进行实时视频数据的显示投影进行平台开发。
5.本发明一方面可以满足4k数字微镜驱动芯片验证的高需求，另一方面适用于4k超高清分辨率投影市场的智能化开发。本发明可以通过电容触摸屏、红外遥控、wifi、上位机（usb
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uart）等多种交互方式作为用户交互，采用xilinx公司的kintex7系列fpga实现系统核心的信号处理，拥有usb
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uart、串口、lvds接口等多种接口进行外设拓展，同时支持平台之间通过低速spi互联，从而功能拓展。本发明可兼容多种视频输入方式，包括hdmi接口、sdi接口等；本发明同时兼容多种光源输入，包括但不限于激光、uhp高压汞灯等。本发明可使用于安防监控、指挥控制、电影放映、舞台演艺、展览展示、视频会议、仿真虚拟现实、4d影院以及球幕、科普等多种场合。本发明具有体积小巧、功能齐全、性能优异，可开发性强等优点，可以给用户带来高清、优质的视频观看体验。
6.实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于4k数字微镜芯片的实时动态视频显示系统，它包括fpga可编程门阵列kintex子系统、电容触摸屏、子板模块、电源模块、色轮模块、uhp灯模块、三色激光模块、风扇模块、视频输入输出模块及交互模块，所述fpga可编程门阵列kintex子系统分别与电容触摸屏、子板模块、色轮模块、uhp灯模块、三色激光模块、风扇模块、视频输入输出模块及交互模块连接；电源模块为fpga可编程门阵列kintex子系统、电容触摸屏、子板部分、色轮模块、uhp灯模块、三色激光模块、风扇模块、视频输入输出模块及交互模块供电；其中：所述的fpga可编程门阵列kintex子系统包括kintex7芯片、8gb 64 bit ddr3存储器、flash模块、usb
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uart接口部分、振镜模块及子板lvds接口；所述8gb 64 bit ddr3存储器、flash模块、usb
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uart接口部分、振镜模块及子板lvds接口分别与kintex7芯片连接；所述子板部分包括子板及dmd芯片，dmd芯片通过芯片底座连接到子板上；子板通过lvds接口连接到fpga可编程门阵列kintex子系统中的子板lvds接口上；所述色轮模块包括第一色轮驱动模块、第一色轮、第一色轮反馈、第二色轮驱动模块、第二色轮及第二色轮反馈，第一色轮与第一色轮驱动模块连接，第二色轮与第二色轮驱动模块连接，第一色轮与第一色轮反馈连接，第二色轮与第二色轮反馈连接，第一色轮驱动模块、第一色轮反馈、第二色轮驱动模块及第二色轮反馈连接到fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片上；所述uhp灯模块包括uhp blaster及uhp灯，uhp灯与uhp blaster连接；uhp blaster与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
7.所述三色激光模块包括红色激光驱动模块、绿色激光驱动模块及蓝色激光驱动模块；红色激光驱动模块、绿色激光驱动模块及蓝色激光驱动模块与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
8.所述风扇模块包括第一风扇驱动模块、第二风扇驱动模块、第三风扇驱动模块、第四风扇驱动模块、第五风扇驱动模块及第六风扇驱动模块。每个风扇驱动模块可以复用两个风扇接口，因此本系统可以最多驱动12个风扇，并实现实时风扇转速调节。所述第一风扇驱动模块、第二风扇驱动模块、第三风扇驱动模块、第四风扇驱动模块、第五风扇驱动模块及第六风扇驱动模块与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
9.所述视频输入输出模块由hdmi输入接口、hdmi输出接口及超高清视频收发芯片gsv2011组成，其中hdmi输入接口及hdmi输出接口与超高清视频收发芯片gsv2011连接，超高清视频收发芯片gsv2011与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接，sdi视频输入接口与sdi视频输出接口分别与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
10.所述交互模块由tc9012红外接口模块与串口透传无线模块组成。tc9012红外接口模块及串口透传无线模块与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
11.所述usb
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uart接口模块由mini
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usb接口、uart转usb桥接芯片组成；其中mini
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usb接口中的数据差分信号与uart转usb桥接芯片连接，uart转usb桥接芯片与fpga可编程门阵列kintex子系统中的kintex7芯片连接。
12.本发明优势如下：1）本发明配有usb
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uart接口、两路hdmi输入输出接口、两路sdi输出输出接口、三路激光控制接口、uhp灯接口、两路色轮接口、振镜接口、十二路风扇接口、红外接口、串口透
传无线模块及lcd触摸屏接口。接口完善，满足实时动态视频显示的需求，在满足视频平台需求的情况下，砍掉传统开发平台的冗余接口，成本更低；2）本发明作为一种数字微镜芯片视频显示平台，可以驱动显示最高3840*2160分辨率的数字微镜投射的超高清动态视频，同时兼容显示驱动分辨率3840*2160、2716*1538、1920*1080、1024*768等多种数字微镜芯片。同时本发明采用子母板的架构，可以通过更换子板从而更换不同分辨率的数字微镜芯片。在提高兼容性的情况下，最大程度降低成本；3）本发明配有红绿蓝三种激光驱动控制接口、uhp高压汞灯控制接口以及两路色轮接口，最多可以驱动两路色轮转动。从而可以实现高压汞灯光源、单色激光光源、双色激光光源（单色激光为主光源、另一颜色为补色）、三色激光光源在内的四种光源模式接入；4）本发明支持hdmi超高清分辨率4k@60hz视频输入的同时，支持sdi 4k@60hz视频裸数据的输入。可以为用户提供多种视频接入方式。
13.5）本发明在显示超高清分辨率的实时图像的同时，可实现包括图像锐化、亮度调节、对比度调节、色度调节、gamma校正、osd叠加、分屏显示等多种前端视频处理算法，可以为观看者提供最优质的视频观赏体验；6）平台与平台之间的fpga芯片可通过板上预留的spi接口进行板间通信，三块板子相互连接、同步时序后，可实现3dlp影院级技术的开发显示；7）平台由自主设计的高速印制电路板为基础，fpga程序、java语言、c语言均由发明人团队自行开发，不借助任何成品模块。硬件系统采用10层叠层接口，板上最高数据速率可达10.3125gbps。通过仿真计算，保证了信号完整性（si）、电源完整性（pi）及电磁兼容性（emi），平台工作稳定、性能良好。
附图说明
14.图1为本发明系统框图；图2为本发明fpga可编程门阵列kintex子系统电路框图；图3为本发明子板模块电路框图；图4为本发明色轮模块电路框图；图5为本发明uhp灯模块电路框图；图6为本发明三色激光模块电路框图；图7为本发明风扇模块电路框图；图8为本发明视频输入输出模块电路框图；图9为本发明交互模块电路框图；图10为本发明usb
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uart模块电路框图；图11为本发明实施例1电路框图。
具体实施方式
15.参阅图1，本发明的一种基于4k数字微镜芯片的实时动态视频显示系统包括fpga可编程门阵列kintex子系统1、电容触摸屏2、子板模块3、电源模块4、色轮模块5、uhp灯模块6、三色激光模块7、风扇模块8、视频输入输出模块9、交互模块10，所述fpga可编程门阵列kintex子系统1分别与电容触摸屏2、子板模块3、色轮模块5、uhp灯模块6、三色激光模块7、
风扇模块8、视频输入输出模块9及交互模块10连接；电源模块4为fpga可编程门阵列kintex子系统1、电容触摸屏2、子板模块3、色轮模块5、uhp灯模块6、三色激光模块7、风扇模块8、视频输入输出模块9及交互模块10供电。电源部分共有15个电源芯片，提供31路电源，共13种不同的电压，其中包括一路
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12v负电压，以及一路30a大电流的1.0v低电压。在硬件设计中，考虑fpga芯片以及各路外设芯片的上电顺序需求，整个平台共有三级上电顺序，分别使用电源芯片的power good引脚以及不同电容对应的缓启动时序进行上电顺序的控制。
16.参阅图2，所述的fpga可编程门阵列kintex子系统1包括kintex7芯片11、8gb 64 bit ddr3存储器12、flash模块13、usb
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uart接口模块14、振镜模块15及子板lvds接口16；所述8gb 64 bit ddr3存储器12、flash模块13、usb
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uart接口模块14、振镜模块15及子板lvds接口16分别与kintex7芯片11连接。如果单纯实时处理4k@60hz的视频，则两片16bit 2gb的ddr3存储器就可以满足数据容量以及数据带宽的需求。但由于4k超高清数字微镜芯片的工作原理，需要将视频图像插值至5432*3056@60hz，此时2片ddr3数据带宽无法满足，因此本发明中使用4片16bit ddr3。
17.参阅图3，所述子板模块3包括子板31及dmd芯片32，dmd芯片32通过芯片底座连接到子板31上；子板31通过lvds接口连接到fpga可编程门阵列kintex子系统1中的子板lvds接口16上；本发明lvds接口为四个通用的fi
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r系列51pin的接口，可以通过连接不同的子板进行不同分辨率的数字微镜芯片（dmd）的驱动显示。lvds接口速率为800m ddr双边沿传输，共有64对数据信号，最高视频分辨率支持3840*2160。
18.参阅图4，所述色轮模块5包括第一色轮驱动模块51、第一色轮52、第一色轮反馈53、第二色轮驱动模块54、第二色轮55及第二色轮反馈56，第一色轮52与第一色轮驱动模块51连接，第二色轮55与第二色轮驱动模块54连接，第一色轮52与第一色轮反馈53连接，第二色轮55与第二色轮反馈56连接，第一色轮反馈53及第二色轮反馈56实时监测第一色轮52与第二色轮55的转动情况，并将检测结果反馈给kintex7芯片11。第一色轮驱动模块51、第一色轮反馈53、第二色轮驱动模块54及第二色轮反馈56连接到fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11上。由于本系统为两路独立色轮设计，从而可以实现高压汞灯光源、单色激光光源、双色激光光源（单色激光为主光源、另一颜色为补色）、三色激光光源在内的四种光源模式接入。单色激光光源与双色激光源都需要一路色轮作为荧光轮进行颜色激发，而后激发出的颜色经过另一路色轮进行滤波，从而达到最终需要的三种或四种颜色。使用补色的双色激光源工作原理是，一路主光源进行颜色激发，而一路光源激发出的颜色，其对应补色相对较弱，因此使用第二路激光源对此颜色进行补充；每当色轮转到激发出该较暗的颜色的时候，第二路激光源打开，进行该颜色的补色。两路色轮的同步采用反馈信号，经由kintex7芯片实时处理，实现动态调控。色轮转速为120hz。
19.参阅图5，所述uhp灯模块6包括uhp blaster61及uhp灯62，uhp灯62与uhp blaster 61连接；uhp blaster61与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。uhp灯62可以通过kintex7芯片11输出同步信号sci进行uhp灯驱动信号与实时视频的同步。4k@60hz投影视频显示是通过振镜在120hz频率运动下的人眼积分之后的结果。因此本发明视频源输入帧率为60hz，实际投影视频帧率为120hz，uhp灯同步频率为120hz。
20.参阅图6，所述三色激光模块7包括红色激光驱动模块71、绿色激光驱动模块72及蓝色激光驱动模块73；红色激光驱动模块71、绿色激光驱动模块72及蓝色激光驱动模块73
分别与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。
21.参阅图7，所述风扇模块8包括第一风扇驱动模块81、第二风扇驱动模块82、第三风扇驱动模块83、第四风扇驱动模块84、第五风扇驱动模块85及第六风扇驱动模块86。所述第一风扇驱动模块81、第二风扇驱动模块82、第三风扇驱动模块83、第四风扇驱动模块84、第五风扇驱动模块85及第六风扇驱动模块86分别与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。每个风扇驱动模块可以复用两个风扇接口，因此本系统可以最多驱动12个风扇，并实现最多六种不同速度的实时风扇转速调节，可以充分满足激光光源、uhp高压汞灯光源、数字微镜芯片（dmd）以及核心处理器kintex7芯片11的不同程度散热需求。
22.参阅图8，所述视频输入输出模块9由hdmi输入接口91、hdmi输出接口92、sdi视频输入接口93、sdi视频输出接口94及超高清视频收发芯片gsv2011 95组成，其中hdmi输入接口91及hdmi输出接口92与超高清视频收发芯片gsv2011 95连接，超高清视频收发芯片gsv2011 95与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。sdi视频输入接口93、sdi视频输出接口94分别与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。sdi视频输入接口93、sdi视频输出接口94分别与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。gsv2011作为视频编解码芯片，具有hdmi2.0接口收发功能，同时向下兼容hdmi1.4接口，支持hdcp2.2/2.3加密标准，向下兼容hdcp1.4加密标准。该芯片具有优异性能，包括rx端自适应均衡接收、tx端可编程输出摆幅、电压转换速率与预加重等，支持lvds接口，单对lvds最高数据传输速率上限为1.5gbps。本发明中，对于4k@60hz视频源，单对lvds接口数据速率为1.18gbps。对于sdi接口而言，如果fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11型号选择xc7k325t_2ffg900，则最高数据速率为10.3125gbps，sdi裸数据只能支持6gbps，即4k@30hz；如果fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11型号选择xc7k325t_3ffg900，则sdi裸数据可以支持12gbps，即可以传输4k@60hz实时视频数据。
23.参阅图9，所述交互模块10由tc9012红外接口模块101与串口透传无线模块102组成。tc9012红外接口模块101及串口透传无线模块102分别与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。红外遥控器多选择脉冲位置调制方式（ppm），即1与0的判决取决于脉冲之间的时间。本发明中，tc9012红外接口模块101接收到的编码序列为：客服码 客户码反码 数据码 数据反码的格式，载波为38khz，通过解调芯片，kintex7芯片只需判断前后下降沿之间的时间，即可进行数据的接收。本发明中，串口透传无线模块102监听环境中wifi通讯过程，用户通过智能手机或者智能终端将控制信息传输到空中，即可进行数据的接收控制。本发明中，无论是红外接口还是无线接口，都可以进行视频数据的颜色对比度调整、亮度色度调整以及工作模式的选择。
24.参阅图10，所述usb
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uart接口部分14由mini
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usb接口141、uart转usb桥接芯片142组成；其中mini
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usb接口141中的数据差分信号与uart转usb桥接芯片142连接，uart转usb桥接芯片142与fpga可编程门阵列kintex子系统1中的kintex7芯片11连接。uart转usb桥接芯片142选用某公司的cp2103，cp2103是一款usb
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to
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uart桥，作为集成usb收发器，无需外接电阻以及集成时钟。支持波特率：300bps至1mbps。支持usb2.0全速fs（full speed）模式，速度可达12mbps。
实施例
25.参阅图11，本发明可以构成4k超高清实时视频显示平台，视频输入输出模块9实现视频输入，同时解码为fpga可以处理的视频数据送入fpga可编程门阵列kintex系统1中的kintex7芯片11。固化在kintex7芯片11中代码，可以实现红外遥控、无线控制、lcd电容触摸屏以及通过usb
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uart连接上位机等控制方式，从而完成人机交互，实现投影模式、亮度对比度、色度饱和度等等前端视频算法的调整，为用户提供全高清视觉旗舰影像。
26.具体工作过程：系统上电，kintex7芯片11从flash模块13中读取编译代码，系统启动。待投影显示视频自视频输入输出模块9的hdmi接口91输入，经过视频编解码芯片gsv2011芯片95后进入kintex7芯片11；kintex芯片11通过红外接口101与用户手中的遥控器进行信息交互；如果此时用户通过遥控器选择视频投影，则将视频编解码芯片gsv2011芯片95解码好的视频数据经过固化在kintex7芯片11中的数字微镜驱动算法送入子板lvds接口16，通过软排线传输到子板部分3，驱动dmd芯片32上四百多万个微镜进行翻转。同时根据当前光机连接情况，kintex7芯片11驱动uhp灯62或者三色激光模块7进行不同亮度光线的投射；另外，此时kintex7芯片11驱动色轮转动，以配合uhp灯62或者三色激光模块7稳定的投射出不同的颜色；为了保持色轮的稳定转速，以及双色轮之间的相对静止，两路色轮独立传输第一色轮反馈53与第二色轮反馈56给到kintex7芯片11。最终子板上的dmd芯片32通过光路与色轮的配合在投影幕布上进行4k全高清分辨率的投影；如果用户通过遥控器选择对待投影视频进行视频前端处理，则原始视频由固化在kintex芯片11中的视频前端处理算法处理视频，再将处理好的视频数据经过数字微镜驱动算法送入子板lvds接口16，通过软排线传输到子板模块3，最终子板上的数字微镜芯片通过光路与色轮的配合在投影幕布上进行4k全高清分辨率的投影；在视频处理过程中，本发明为了实现实时超高清的数据处理，kintex7芯片11配有四片8gb 64bit ddr3存储器12，kintex7芯片11与总容量8gb 64 bit ddr3存储器12直接相连，最高数据速率可达1833mt/s。