提出了一種基于ARM和FPGA的數(shù)字微鏡器件（DMD）驅(qū)動波形實驗平臺的設(shè)計，該設(shè)計由數(shù)字微鏡驅(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成。闡述了數(shù)字微鏡驅(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器的硬件工作原理，以及ARM微控制器和FPGA的軟件工作流程。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)計的設(shè)計要求。

　　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(gòu)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(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)由最初的投影、高清數(shù)字電視領(lǐng)域拓展到了立體顯示、平面印刷等方面［2］。相對于國外的領(lǐng)先技術(shù)，我國在這方面的研究相對滯后，因此對數(shù)字微鏡及其驅(qū)動技術(shù)的研究具有重要的意義。在數(shù)字微鏡器件的驅(qū)動開發(fā)過程中，很重要的一個過程是尋找控制微鏡翻轉(zhuǎn)的最佳驅(qū)動波形和最優(yōu)驅(qū)動電壓。由于微鏡制作工藝不同，物理特性各異，不同的產(chǎn)品需要不同的驅(qū)動波形來滿足其驅(qū)動要求。目前的研究與開發(fā)中，缺少普適的驅(qū)動波形實驗平臺，而本文提出的設(shè)計滿足了這方面的需求。

　　1 DMD的驅(qū)動原理及其驅(qū)動影響因素

　　1.1 DMD的驅(qū)動原理

　　數(shù)字微鏡器件是一種基于半導(dǎo)體制造技術(shù)，由高速數(shù)字式光反射開關(guān)陣列組成［3］。將一個數(shù)字式光反射開關(guān)稱為一個微鏡單元。在呈像過程中，每個微鏡單元對應(yīng)了圖像中的一個像素，通過控制微鏡的旋轉(zhuǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)，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(qū)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(guān)的電平可由式（1）和式（2）得到：

　　當(dāng)V開為高電平、V關(guān)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(dāng)V開為低電平、V關(guān)為高電平時，鏡片避開光源（關(guān)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(diào)節(jié)微鏡單元的翻轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而改變呈像。為了產(chǎn)生灰度變化的圖像，需要控制微鏡開關(guān)狀態(tài)的時間。通過控制高電平的持續(xù)時間，即改變驅(qū)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(yīng)的灰度像素就淺；V關(guān)保持高電平的時間長，則微鏡關(guān)閉時間也長，對應(yīng)的灰度像素就深。微鏡工作示意圖如圖2所示。

　　1.2 DMD的驅(qū)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(guān)鍵。DMD是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS的一員，通過靜電力的作用控制微鏡的偏轉(zhuǎn)［4］，因此微鏡的工作性能與其制作工藝息息相關(guān)。在微鏡翻轉(zhuǎn)的過程中，微鏡在機(jī)械結(jié)構(gòu)限位和控制電壓的作用下，最終穩(wěn)定在相應(yīng)的位置［5］，因此其機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)都會對數(shù)字微鏡器件的驅(qū)動波形提出不同的要求。針對不同的微鏡，對應(yīng)的最佳工作模式也有所不同，需要在驅(qū)動開發(fā)過程中尋找最佳的驅(qū)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(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，實現(xiàn)驅(qū)動波形的設(shè)定、產(chǎn)生以及調(diào)整。其優(yōu)點在于：（1）增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，方便擴(kuò)展其他功能；（2）操作簡單方便，可控性強(qiáng)。整個系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可變性，針對不同的數(shù)字微鏡器件，可以方便地設(shè)定驅(qū)動波形，調(diào)整驅(qū)動電壓，進(jìn)而確定最佳的工作狀態(tài)，其中電壓幅度范圍可以達(dá)到10 V~60 V。

　　2.2 整體方案

　　系統(tǒng)整體設(shè)計分為兩個部分：數(shù)字微鏡驅(qū)動器和電壓轉(zhuǎn)換器。數(shù)字微鏡驅(qū)動器主要完成接收PC的參數(shù)設(shè)定，產(chǎn)生波形、調(diào)整波形，其中與PC之間的通信是基于USB完成的。電壓轉(zhuǎn)換器主要完成驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)換，以及負(fù)載電流的采集與放大。

　　3 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　3.1 數(shù)字微鏡驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)

　　數(shù)字微鏡驅(qū)動器作為驅(qū)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(jié)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(qū)動波形相關(guān)參數(shù)的編輯與輸入；（2）與FPGA通信，傳遞目標(biāo)驅(qū)動波形的相關(guān)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(shè)置； （5）處理電流反饋信息，并及時調(diào)整驅(qū)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。