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(shè)定驅(qū)動波形，調(diào)整驅(qū)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(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。
    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(chǎn)生驅(qū)動微鏡進行快速翻轉(zhuǎn)的驅(qū)動波形，本文所選用FPGA的時鐘為100 MHz，滿足了驅(qū)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(qū)動波形。
3.2 電壓轉(zhuǎn)換器的硬件實現(xiàn)
    電壓轉(zhuǎn)換器用于將FPGA輸出的3.3 V的CMOS驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成電壓幅度,滿足微鏡陣列驅(qū)動要求的驅(qū)動波形，圖4所示為電壓轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換原理圖。在本電路中，選用IR2105作為MOS管的驅(qū)動芯片。這是一款高電壓、高速度的MOS管驅(qū)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(dǎo)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(dǎo)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(qū)動波形。其中VCC可以通過外加電源直接進行調(diào)節(jié)，高電平的調(diào)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(guān)，具有很強的電流驅(qū)動能力。

    Iload=VCC/Rload   (3)
4 軟件設(shè)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(qū)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(guān)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(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的指令(改變參數(shù)、控制微鏡開關(guān)等)；分析負載電流的反饋大小調(diào)整驅(qū)動波形；光源工作異常時，及時退出循環(huán)，關(guān)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(qū)動波形的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的驅(qū)動波形，其工作流程如下：置數(shù)字微鏡于“關(guān)”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(guān)指令。其中，ARM微處理器傳遞給FPGA的指令與參數(shù)包括驅(qū)動波形的基本信息與參數(shù)、波形的產(chǎn)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(qū)動和通信能力，以及FPGA準確、快速的優(yōu)勢。在保證了驅(qū)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(jié)果
   在實驗過程中，根據(jù)實驗平臺實現(xiàn)的功能，設(shè)計了如圖5所示的操作界面，實現(xiàn)了驅(qū)動波形相關(guān)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(chǎn)生的驅(qū)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(qū)動波形。

    本文提出了一種數(shù)字微鏡驅(qū)動波形實驗平臺的設(shè)計。該系統(tǒng)將ARM微處理器與FPGA相結(jié)合，充分利用兩者的優(yōu)點，并通過電壓轉(zhuǎn)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(qū)動波形實驗平臺，為數(shù)字微鏡驅(qū)動的開發(fā)提供了很好的實驗平臺。
參考文獻
[1] 朱毖微, 梁志毅, 喬永征.基于FPGA的DMD驅(qū)動控制電路的研究設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2010(3): 547-550.
[2] DOUGLASS M R. DMD reliability: a MEMS success story[C]. Proceedings of SPIE, 2003.
[3] 鄒靜嫻,吳榮治.數(shù)字微鏡器件(DMD)[J]. 液晶與顯示,2003,18(6):445-448.
[4] 胡劍,李剛炎.基于 MEMS 的光開關(guān)技術(shù)研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2007,32(4):332-334.
[5] 姜兆華,吳賓初,潘涌,等. DMD數(shù)字微鏡驅(qū)動控制系統(tǒng)分析及其應(yīng)用[J]. 應(yīng)用激光, 2012,32(3):212-216.