無(wú)源液晶光學(xué)器件的低成本驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

陳梅蕊，杜 瑩，毛紅敏，彭建濤，孫會(huì)娟，徐國(guó)定，陸煥鈞，曹召良

（1.蘇州科技大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院江蘇省微納熱流技術(shù)與能源應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109；3.北京聯(lián)合大學(xué) 數(shù)理部，北京 100101）

1 引 言

液晶光學(xué)器件，如空間光調(diào)制器、光延遲器、光衰減器、光隔離器、光開關(guān)等［1-8］被廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)儀器和設(shè)備中。液晶光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)方式主要分為有源驅(qū)動(dòng)和無(wú)源驅(qū)動(dòng)兩大類。有源驅(qū)動(dòng)是通過(guò)器件每個(gè)像素?cái)y帶的電荷存儲(chǔ)電容進(jìn)行供電，每個(gè)像素都配備薄膜晶體管，制作工藝復(fù)雜，且成本較高［9-10］。無(wú)源驅(qū)動(dòng)通過(guò)外接驅(qū)動(dòng)電路的方式對(duì)器件供電，制作工藝簡(jiǎn)單且成本低［11-12］。無(wú)源驅(qū)動(dòng)適合于低像素?cái)?shù)的液晶調(diào)光器件和多個(gè)單像素器件的并行控制。隨著光的智能控制發(fā)展，在復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，通常包含多像素或多個(gè)單像素液晶光學(xué)器件。比如，被廣泛研究的全電控制的激光雷達(dá)，其采用液晶空間光調(diào)制器和液晶偏振光柵組實(shí)現(xiàn)激光光束大角度連續(xù)掃描［13-19］。其中，液晶偏振光柵組是由多片液晶偏振光柵和液晶半波片組成，需要多路驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。此外，低像素?cái)?shù)的液晶空間光調(diào)制器也可采用無(wú)源驅(qū)動(dòng)，從而降低成本［11］。若每個(gè)液晶器件均配置獨(dú)立的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其成本及系統(tǒng)的復(fù)雜程度均相應(yīng)增加。因此，需采用多通道信號(hào)對(duì)多像素或多個(gè)單像素器件進(jìn)行同步控制。

多路同步驅(qū)動(dòng)通常采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬系統(tǒng)的控制［20-21］。目前常用的多路DAC系統(tǒng)普遍采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）系統(tǒng)進(jìn)行控制。FPGA系統(tǒng)控制的DA輸出有兩種：一種是集成FPGA芯片的板卡直接插在電腦的主板上，然后利用信號(hào)傳輸接口傳出模擬信號(hào)，但該方法輸出的模擬信號(hào)路數(shù)受限，目前最多輸出32路［22］；另一種是在電腦主板上插一塊數(shù)字信號(hào)發(fā)送卡，先把數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI或PCI-E接口高速傳輸?shù)郊蒄PGA芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后再進(jìn)行多路數(shù)模轉(zhuǎn)換和多路模擬信號(hào)的輸出，該方式可以實(shí)現(xiàn)更多模擬信號(hào)的輸出［23-24］。但基于FPGA實(shí)現(xiàn)多路輸出的成本及開發(fā)難度比較高，并且使用不便。

為此，本文提出一種低復(fù)雜度、低成本的多路液晶光學(xué)器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法。其采用STM32作為主控，降低設(shè)計(jì)難度和成本；采用通用串行總線（USB）接口的通信方式，降低使用復(fù)雜度。同時(shí)，采用可插拔多子板加母板的設(shè)計(jì)思想，依據(jù)實(shí)際需求靈活選取子板數(shù)目，從而進(jìn)一步降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。

2 總體方案設(shè)計(jì)

無(wú)源液晶光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)電壓通常在10 V以內(nèi)，驅(qū)動(dòng)頻率為千赫茲量級(jí)，電壓調(diào)制精度為8~10 bit。為滿足通常液晶器件及雙頻液晶高低頻切換的驅(qū)動(dòng)要求，本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：電壓±10 V，頻率2~10 kHz可調(diào)，電壓調(diào)制精度10 bit。此外，為了滿足普通應(yīng)用需求，本文設(shè)計(jì)了192路的并行輸出控制信號(hào)。

總體驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，主要分為上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)板卡及輸出板3部分。為降低驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度，上位機(jī)通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和驅(qū)動(dòng)板卡的控制。驅(qū)動(dòng)板卡采用母板與多子板組合模式，子板和母板間采用串行外設(shè)接口（SPI）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)子板控制32路信號(hào)輸出，并且以可插拔方式與母板連接，從而實(shí)現(xiàn)子板個(gè)數(shù)自由選擇，降低驅(qū)動(dòng)電路成本及簡(jiǎn)化產(chǎn)品。每個(gè)子板通過(guò)2個(gè)SPI接口將數(shù)據(jù)分發(fā)給各自的2個(gè)DAC芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)幅值可調(diào)及10 bit的電壓調(diào)制精度。輸出板與驅(qū)動(dòng)板卡通過(guò)BTB連接器進(jìn)行連接，便于對(duì)液晶器件進(jìn)行控制。

圖1 總體驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)Fig.1 Design of overall drive scheme

多路模擬信號(hào)的時(shí)序流程圖如圖2所示。在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，PC首先將驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送給母板，母板將數(shù)據(jù)分成對(duì)應(yīng)的組之后再發(fā)送給相應(yīng)的子板，子板接收到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)寫入到DAC芯片的寄存器中，DAC芯片等待刷新命令，在全部命令都發(fā)送完畢之后，母板主控芯片向每個(gè)子板按順序發(fā)出刷新命令，子板主控芯片在接收到刷新命令之后立即向DAC芯片發(fā)出刷新命令，之后DAC芯片將存儲(chǔ)在寄存器當(dāng)中的數(shù)據(jù)按照既定順序刷新到每個(gè)管腳，輸出對(duì)應(yīng)的電壓。

圖2 多路模擬信號(hào)時(shí)序流程圖Fig.2 Flow chart of multiplex analog signal timing

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 USB接口電路

本文采用USB3300作為USB接口通信芯片，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與驅(qū)動(dòng)板卡的數(shù)據(jù)交互，其具體連接示意圖如圖3所示。以USB2.0的方式進(jìn)行通信協(xié)議，滿速率高達(dá)480 Mbit/s。經(jīng)計(jì)算，理論上傳 輸192個(gè)10 bit數(shù)據(jù)的延遲為3.8 μs，該 時(shí)間可忽略不計(jì)，因而滿足應(yīng)用需求。此外，它包含一套集成的內(nèi)置電源管理功能，即內(nèi)部調(diào)節(jié)器使芯片可以由單個(gè)3.3 V電源供電，減少成本并簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)；同時(shí)，其即插即用，使用方便，連接靈活。USB3300使用一個(gè)24 MHz內(nèi)部晶體驅(qū)動(dòng)器和鎖相環(huán)子系統(tǒng)來(lái)提供480 MHz的參考時(shí)鐘，一旦鎖相環(huán)鎖定到正確頻率，它將使用60 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)CLK引腳，使物理層可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。該芯片具有8位數(shù)據(jù)總線，總線所有權(quán)由DIR位決定，鏈路和物理層通過(guò)在總線上驅(qū)動(dòng)非零模式來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，NXT用于控制進(jìn)出設(shè)備的數(shù)據(jù)流，最后輸入到STP終止傳輸。

圖3 USB芯片連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of the USB chip connection

3.2 SPI接口

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的低成本、低復(fù)雜度設(shè)計(jì)，采用STM32F429ZET6作為母板控制芯片，STM32F411CEU6作為子板控制芯片。母板與子板之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并以主從方式進(jìn)行工作，如圖4所示。其中母板作為主機(jī)，子板為從機(jī)，共有4根連接線，分別為MOSI（主機(jī)輸出，從機(jī)輸入）、MISO（主機(jī)輸入，從機(jī)輸出）、SCLK（串行時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生發(fā)送給從機(jī)）和NSS（片選信號(hào)，由主機(jī)發(fā)送，以控制與從機(jī)通信）。SPI在全雙工模式下，具有單獨(dú)的發(fā)送和接收路線，因此，可以在同一時(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SPI的接收硬件可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器，相比于異步串行通信所需的完整UART，該方案簡(jiǎn)單且成本低。母板控制芯片包括6個(gè)SPI接口，子板控制芯片包括3個(gè)SPI接口，接口速率統(tǒng)一采用22.5 Mbit/s，母板的6個(gè)SPI接口與分別6個(gè)子板的1個(gè)SPI接口相連，每個(gè)子板的其余兩個(gè)SPI接口分別與2個(gè)DA轉(zhuǎn)換芯片相連，以此控制多路數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 主從器件SPI接口連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of primary and slave device SPI interface connection

3.3 主控電路設(shè)計(jì)

子板以可插拔的方式與母板進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)子板個(gè)數(shù)自由選擇，從而降低驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度及成本。母板與子板的設(shè)計(jì)包括晶振電路、電源電路、下載電路及復(fù)位電路，具體如圖5所示。晶振的頻率為16 MHz，并將其作為鎖相環(huán)電路的時(shí)鐘源，對(duì)16 MHz的頻率進(jìn)行倍頻，提升系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘頻率，使系統(tǒng)更加快速穩(wěn)定運(yùn)行。XI與XO引腳串聯(lián)兩個(gè)電容用來(lái)削弱諧波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響。本設(shè)計(jì)中在母板處外接一個(gè)電源，向母板提供±15 V及5 V的電源，經(jīng)穩(wěn)壓電路和LT76ES芯片轉(zhuǎn)換為12 V及3.3 V，向各芯片提供所需電壓，使設(shè)備正常工作。電源電路的電容用來(lái)穩(wěn)定電壓輸出及消除電壓的高頻成分，確保輸出電壓純凈。下載電路采用SWD接口，其比傳統(tǒng)JTAG調(diào)試更適用于高速模式，并且所需要的引腳少，節(jié)省PCB空間。母板與子板均含兩個(gè)DMA控制器，總共有16個(gè)數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流有多達(dá)8個(gè)通道。DMA用于存儲(chǔ)器與外設(shè)之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸，可以在無(wú)需任何中央處理器（CPU）操作的情況下通過(guò)DMA快速移動(dòng)數(shù)據(jù)，這樣CPU節(jié)省的資源可供其他操作使用。

圖5 主控芯片及附加電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the main control chip and the additional circuit

3.4 DAC控制模塊

本設(shè)計(jì)采用16通道、±10 V，能實(shí)現(xiàn)電壓范圍內(nèi)雙極性信號(hào)擺幅，電壓調(diào)制精度可達(dá)10 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器LTC2668進(jìn)行數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)多路復(fù)用器MUX控制VOUT［0-15］輸出16路模擬電壓，其具體原理圖如圖6所示。每個(gè)DAC通道有兩組雙緩沖寄存器，一組用于代碼數(shù)據(jù)，一組用于DAC的輸出范圍，雙緩沖提供了同時(shí)更新量程和代碼的能力，從而允許在改變輸出范圍時(shí)進(jìn)行平滑的電壓轉(zhuǎn)換。為保證電壓的穩(wěn)定性和低噪聲，REF等引腳外接0.1 μF的電容。LTC2668采用可級(jí)聯(lián)的3線式SPI/Microwire兼容接口進(jìn)行控制，最高時(shí)鐘速率可達(dá)50 MHz。

圖6 DAC原理圖Fig.6 Schematic diagram of DAC

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

多路DA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅依賴于硬件設(shè)計(jì)，還與控制軟件的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在控制軟件設(shè)計(jì)方面，母板軟件設(shè)計(jì)主要起到將PC與子板進(jìn)行鏈接的作用。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，本文使用DMA控制器，無(wú)需CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制簡(jiǎn)單，節(jié)約系統(tǒng)資源，適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行成組傳送。具體過(guò)程如圖7所示，USB接收到數(shù)據(jù)后按照順序使能各SPI接口的DMA請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)輸出到每一個(gè)子板，最后再向子板發(fā)送刷新輸出的命令。

圖7 STM32F429控制軟件流程圖Fig.7 Flow chart of the STM32F429 control software

子板控制軟件設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖8所示。首先判斷母板發(fā)送的信息是數(shù)據(jù)還是刷新命令。如果是數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI寫入到DAC芯片當(dāng)中；如果接收到的信息是刷新命令，就通過(guò)SPI將DAC芯片的刷新命令寫入，將模擬數(shù)據(jù)刷新到相應(yīng)的引腳。

圖8 STM32F411控制軟件流程圖Fig.8 Flow chart of STM32F411 control software

4.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件界面程序用Qt開發(fā)，利用USB3300動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的函數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)PC與下位機(jī)通信，界面如圖9所示。圖9中192個(gè)六邊形即對(duì)應(yīng)192路。界面具體操作過(guò)程如下：首先選擇文件，文件為Excel表，Excel表里的第一個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)的是第一路DA，輸入的范圍為0~1 023的電壓灰度級(jí)。由于USB接口只能進(jìn)行8位數(shù)據(jù)傳輸，而發(fā)送一個(gè)電壓灰度值為10 bit，因此在嵌入式與上位機(jī)中均對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分配，每4個(gè)數(shù)據(jù)用5個(gè)字節(jié)，即前4個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)據(jù)的高8位，第5個(gè)字節(jié)按順序存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)據(jù)的低2位，以此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。其次，在周期設(shè)置框中輸入方波翻轉(zhuǎn)周期，范圍為50~255 μs。最后，點(diǎn)擊確定及開始發(fā)送，即可得到多路幅頻可調(diào)的方波。

圖9 上位機(jī)應(yīng)用軟件界面Fig.9 Upper-computer application software interface

5 功能測(cè)試

基于上述設(shè)計(jì)，進(jìn)行制板和控制軟件編寫，研制出的液晶器件驅(qū)動(dòng)控制電路如圖10所示。硬件部分主要包括母板、子板、外接電源以及輸出板。母板與子板根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)192路信號(hào)輸出。輸出板設(shè)計(jì)了32路，以便于對(duì)每個(gè)子板控制的32路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，上位機(jī)通過(guò)母板的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)幅值與頻率可調(diào)。

圖10 硬件設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.10 Physical design of hardware design

通過(guò)上位機(jī)給下位機(jī)同時(shí)發(fā)送不同的電壓灰度值與周期對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試?；叶戎祻?~1 023設(shè)置了8個(gè)值，用示波器對(duì)外接板FA0路分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖11（a）所示。其中“·”表示實(shí)測(cè)電壓，其范圍在0~10 V。從圖11可以看出，電壓與灰度值符合線性關(guān)系，擬合得到的直線斜率為0.010，與理論10 V、1 024級(jí)電壓灰度線性關(guān)系相對(duì)應(yīng)。由于測(cè)試環(huán)境的影響，如示波器測(cè)量及線路誤差，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中存在0.003 V的靜態(tài)誤差。實(shí)測(cè)電壓值與擬合直線的誤差結(jié)果如圖11（b）所示，誤差在0.010 V左右，在去除0.003 V靜態(tài)誤差的情況下，大多數(shù)誤差接近于0。

圖11 測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results

6 結(jié) 論

本文針對(duì)無(wú)源液晶調(diào)光器件的驅(qū)動(dòng)控制要求，設(shè)計(jì)了一種低成本、低復(fù)雜度的多路DA同步控制方法。以STM32作為主控芯片，USB與電腦通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，并通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)幅頻可調(diào)。子板以可插拔形式與母板進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)子板個(gè)數(shù)自由選擇，從而降低系統(tǒng)成本。然后，用DAC芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)192路模擬信號(hào)的輸出。測(cè)試結(jié)果顯示，不同電壓灰度值與模擬電壓符合線性比例關(guān)系，并且其誤差在0.010 V左右，符合10 bit、1 024級(jí)電壓灰度值調(diào)制精度，說(shuō)明該驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)的精度及穩(wěn)定性高，滿足無(wú)源液晶器件的驅(qū)動(dòng)控制要求。該研究結(jié)果為多路無(wú)源液晶光學(xué)器件的驅(qū)動(dòng)控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，從而擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景，加快其產(chǎn)品化進(jìn)程。