AR眼镜屏驱动硬件设计

梁美玉

(安徽信息工程学院, 安徽 芜湖 241100)

0 引 言

当前社会各界研究的AR眼镜系统虽然发挥了眼镜的整体性和便捷性优势，但却忽略了眼镜系统佩戴的舒适度和安全性的问题，比如市场上有些眼镜系统，眼镜上的控制芯片较多，在眼镜工作的时候，功耗高，温度较高，而设计者为了降低温度，就必须在眼镜的结构中增加电风扇进行散热，这样就必然影响消费者的观看效果。正是因为当前市场上的AR眼镜系统存在重量重、功耗大、热量大等不足，导致目前的AR眼镜仍然没有办法普遍应用于市场[1]。

1 AR眼镜的屏驱动设计

针对当前市场上AR眼镜屏驱动技术存在的不足，提出了基于FPGA控制器的AR眼镜的屏驱动设计。利用FPGA的现场门阵列的可编辑性以及FPGA在图像处理和视频传输中的优势及并行执行的高效性[2]，实现在FPGA内部搭建与控制，可以减少控制器周边的外围芯片数量，降低功耗，减少运行时热量的散发，且辐射变小[3]。

1.1 屏驱动电路设计

本设计的AR眼镜屏驱动模块主要针对的是最为先进的硅基OLED屏，参考市场上的主流方向，选用的是法国MICROOLED公司的MDP01CP型OLED显示器。OLED内嵌入了一个EEPROM，内部存储用来GAMA校正的数据，显示数据经过GAMA校正后，将会输出高质量画质的图像[4]。本款OLED具有封装小、功耗低及卓越的显示质量特点。

因为OLED显示器是依靠RGB信号驱动，所以需要将FPGA输出的数字信号转为符合OLED输入标准的模拟信号。本设计的屏驱动技术采用了电阻网络加运放的电路结构将FPGA输出的数字信号转换成OLED显示器需要的模拟电路。电路中采用了低功耗、高速、低电压漂移输出的运放ADA4850，该运放广泛应用于多媒体播放、摄像头图像传输、视频传输等领域[5]。具体的RGB数字信号转模拟信号原理分别如图1～图3所示。

图1 红色通道

图2 绿色通道

图3 蓝色通道

在进行屏驱动过程中，FPGA通过触发器产生了驱动的时序信号、场同步信号、行同步信号以及使能信号的仿真图如图4所示。

图4 OLED驱动时序仿真图

1.2 屏亮度控制电路

在进行屏驱动过程中，不仅要考虑驱动功能的实现，还需要考虑到佩戴者对屏显示的观看要求，只有这样，才可以保证AR眼镜的使用舒适度。其中，显示亮度是AR眼镜使用过程中佩戴者的最直观感受效果因素之一，所以，在进行屏驱动时，要保证屏的亮度满足佩戴者的要求。

根据硅基OLED显示器的使用特性，其显示亮度主要受两个因素的影响：阴极的负电压和温度[6]。

1.2.1 阴极负电源控制

根据硅基OLED显示器的设计要求，硅基OLED显示器的阴极需要提供一个负电压，并且通过调整负电压的值可以调节OLED的显示亮度，亮度与负压的关系如图5所示。

设计选取TPS63700进行控制，TPS63700是一个反转DC-DC转换器，产生的消极输出电压下降至15 V，根据输入电压为输出电压的比率，带输出电流高达360 mA。因为其总有效率高达84%，所以该装置是理想的便携式电池供电设备。具体电路如图6所示。

图5 亮度与负压关系图

图6 负压调整电路原理图

1.2.2 温度控制

温度的变化对OLED显示器的亮度影响非常大，当OLED的温度过高，会减少OLED的使用寿命，温度与亮度的关系如图7所示。

设计时需要实时调整负电压，给出一个合适的值，使得温度保持在一定范围的同时，得到想要的亮度。这里使用的温度检测模块为LM95233。LM95233 芯片是一款 11 位的数字温度传感器，其特点是具有双线的 SMBus 接口，可以监测2个远程二极管的温度以及芯片本身的温度，如图8所示。

图7 温度与亮度关系图

图8 温度检测电路原理图

为了保证屏显示的亮度满足佩戴者的使用要求，设计中必须综合考虑阴极的负电压以及负电压引起的温度变化，最终负电压PWM波输出如图9所示。

在数据传递过程中，FPGA内部对IIC时序电路仿真如图10所示。

图9 负电压PWM波输出

图10 IIC时序电路仿真

1.3 FPGA主控电路介绍

本设计的主处理器采用XILINX的Spartan6系列的FPGA，该系列的FPGA具有高逻辑引脚比、小型封装、MicroBlaze软处理器、800 Mb/s DDR3支持以及各种多样化支持性I/O协议等。这些器件采用45 nm构建，广泛应用于全高清智能数字标示、工业网络、汽车网络和连接功能及高分辨率视频和图形领域[7]。

主控FPGA在系统启动时，首先读取OLED屏内的gamma校正数据，并存储到内部RAM，输出显示数据时，RGB显示数据将送入gamma校正模块，然后经过查找表法，找到显示数据对应的gamma值，最后将对应的gamma数据送到FPGA的输出端口[8]。FPGA电路原理如图11所示。

图11 FPGA电路原理

2 结 语

相比较当前市场的AR眼镜的屏驱动设计，本设计具有如下三个优势：

1)低功耗，微型化。采用FPGA为屏驱动控制器，驱动模块在FPGA内部搭建，降低了功耗，也实现了系统的集成化和微型化。

2)具有信号自适应性。FPGA内部搭建的图像缩放功能，可以适应多种不同分辨率信号的输入。

3)自调整性。由FPGA搭建的屏驱动模块，可以实现温度检测和Gamma校验的功能，时刻保证显示屏的显示效果。