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三维头盔显示器电路系统的改进设计

作　者: 徐爱国
导　师: 谢洪波
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 头盔显示器微显示驱动电路通用串行总线(USB) FPGA/CPLD
分类号: TN873
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

三维头盔显示器(Helmet-mounted Display,简称HMD)是近年来显示领域的研究热点之一,也是目前应用最广泛的3D显示技术之一。头盔显示器的开发是一项综合技术的研究与实践,包括计算机软件技术、电路技术、图像源技术、机械以及光学技术等,其中图像源技术与微显示芯片驱动电路技术一直都是实现头盔显示器的关键技术。本文针对传统头盔显示器的结构与特点,提出了基于PC平台和OLED(有机发光二极管)微显示芯片,以FPGA/CPLD(现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件)为控制核心的三维头盔显示器USB2.0接口电路设计方案。整个驱动电路采用16位数据并行传输的方式,两片8位微显示芯片被看作一个整体共用16位数据总线,在同一时钟下扫描,以实现双目同步显示。本文在前期工作的基础上对这一设计方案进行了更为深入的探讨与实现。硬件电路以FPGA/CPLD作为数据传输的控制核心,包括USB接口模块、外部帧缓存模块、微显示芯片扫描显示模块以及寄存器的I~2C配置模块。本文采用USB2.0接口芯片CY7C68013A解决了数据高速传输的带宽问题,采用两片高速SRAM实现图像数据的整帧存取,同时显示器件采用了OLED数字微显示芯片ME3203。在前期工作的基础上,本文还提出了驱动电路PCB设计的实用改进方案,对原调试方案进行了功能和体积的优化,实用改进方案的提出进一步完善了本文的驱动电路设计。本文采用模块化方法实现了主控器的硬件程序设计,主要包括USB接口芯片slave-FIFO控制器设计、帧缓存的乒乓操作设计、微显示芯片扫描时序设计以及I~2C主机设计,此外还包括实用方案中的数据总线切换和桥接逻辑设计。设计采用Verilog HDL硬件描述语言,沿用了高级语言中层次化设计思想(即先拆分设计再进行模块综合),综合后的仿真结果完全符合各芯片的时序要求。驱动电路的软件系统包括USB接口芯片固件程序、USB2.0驱动程序以及客户端测试程序,是实现PC与驱动电路数据通信的关键。客户端测试程序主要完成了操纵USB设备,读取双目图像数据并进行合并、传输的功能。本文的软件系统用来对PC机中的BMP图像进行传输以验证驱动电路硬件平台的功能。传输结果很好的证明了电路设计方案的可行性和对数据传输的正确性,满足了系统的设计要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  §1.1 三维显示技术概述  7-9
    §1.1.1 光学三维显示技术  7-8
    §1.1.2 计算机三维显示技术  8-9
  §1.2 三维头盔显示技术的发展与现状  9-11
    §1.2.1 三维头盔显示技术的发展与应用  9-10
    §1.2.2 国内外研究动态及发展趋势  10-11
  §1.3 论文的主要工作  11-13
第二章三维头盔显示器原理分析  13-23
  §2.1 三维头盔显示器原理概述  13-19
    §2.1.1 人眼立体视觉原理  13-14
    §2.1.2 计算机二维图像对的获取原理  14-15
    §2.1.3 双目图像获取的实用方法  15-17
    §2.1.4 增强现实三维头盔显示器的结构及显示原理  17-19
  §2.2 三维头盔显示器图像源技术  19-21
    §2.2.1 有源矩阵液晶显示器(AMLCD)  19-20
    §2.2.2 硅上液晶(LCOS)微显示器  20
    §2.2.3 有机发光二极管(OLED)微显示器  20-21
  §2.3 三维头盔显示器视频接口技术及总体方案的提出  21-22
  §2.4 本章小结  22-23
第三章三维头盔显示器驱动电路硬件设计  23-37
  §3.1 驱动电路整体设计方案  23-24
  §3.2 驱动电路原理与模块化设计  24-30
    §3.2.1 USB2.0接口模块设计  24-25
    §3.2.2 图像帧缓存模块设计  25-26
    §3.2.3 扫描显示模块设计  26-27
    §3.2.4 I~2C寄存器配置模块设计  27-28
    §3.2.5 微显示芯片亮度控制电路设计  28-29
    §3.2.6 核心控制模块设计  29-30
  §3.3 驱动电路设计方案的优化和改进  30-32
    §3.3.1 实用改进方案的整体设计思路  30-31
    §3.3.2 实用改进方案对调试方案的改进  31-32
  §3.4 硬件电路的PCB设计  32-36
    §3.4.1 PCB设计的一般原则  32-33
    §3.4.2 电路抗干扰措施  33-34
    §3.4.3 调试方案硬件电路的PCB模块化设计  34-35
    §3.4.4 实用改进方案硬件电路的PCB设计  35-36
  §3.5 本章小结  36-37
第四章驱动电路主控器的软件设计与仿真  37-60
  §4.1 FPGA/CPLD开发概述  37-39
  §4.2 USB接口模块slave FIFO行为模型及其控制器设计  39-41
  §4.3 帧缓存模块Verilog程序设计  41-48
    §4.3.1 SRAM存储结构与寻址  41-42
    §4.3.2 SRAM的读写时序及其仿真行为模型设计  42-45
    §4.3.3 三态缓冲器控制逻辑  45-46
    §4.3.4 双状态机Verilog代码实现图像数据的无缝缓冲  46-48
  §4.4 扫描显示模块程序设计  48-52
    §4.4.1 微显示芯片扫描时序  48-50
    §4.4.2 分频器实现扫描同步时序  50-51
    §4.4.3 扫描时序与SRAM的读同步  51-52
  §4.5 微显示芯片寄存器的I~2C配置设计  52-56
    §4.5.1 I~2C总线的基本原理  52-53
    §4.5.2 Verilog代码实现I~2C通信协议  53-54
    §4.5.3 微显示芯片寄存器配置的实现  54-56
  §4.6 数据总线切换和桥接逻辑的Verilog实现  56-58
  §4.7 Verilog程序模块的综合  58-59
    §4.7.1 Verilog程序模块化设计方法  58-59
    §47.2 FPGA/CPLD程序模块综合的实现  59
  §4.8 本章小结  59-60
第五章 USB固件、USB驱动程序与客户端测试程序设计  60-74
  §5.1 USB固件程序设计  60-64
    §5.1.1 EZ-USB FX2固件框架概述  61-62
    §5.1.2 SLAVE FIFO固件程序实现  62-64
  §5.2 基于Windows XP的USB2.0驱动程序设计  64-67
    §5.2.1 USB驱动程序开发基础  64-65
    §5.2.2 接口芯片的USB驱动程序实现  65-67
    §5.2.3 INF文件的编写与USB设备驱动程序的安装  67
  §5.3 USB客户端测试程序设计  67-73
    §5.3.1 USB通用驱动与应用程序之间接口函数的编写  68-70
    §5.3.2 数据传输测试与BMP图像传输测试  70-72
    §5.3.3 客户端测试程序界面  72-73
  §5.4 本章小结  73-74
第六章系统调试与结论展望  74-79
  §6.1 驱动电路系统的调试与分析  74-77
  §6.2 工作总结与展望  77-79
参考文献  79-82
致谢  82

三维头盔显示器电路系统的改进设计

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