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微型投影系統整合設計
微型投影技術專欄(4)

【作者: 李政育,葉鈉泰】   2009年09月28日 星期一

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前言


行動與多媒體內容的分享需求,提供了微型投影裝置成長的動力。經過前幾期針對微型投影的技術和發展趨勢分析,本期將從微型投影系統與一般行動裝置或手機整合的方式出發,並針對開發、整合發展過程中常遇到的問題提出探討。



微形投影裝置與系統MCU(Main Control Unit)的通訊介面主要分為兩類:一、控制介面;二、影像傳輸介面。



控制介面


MCU通常透過控制介面來設定微形投影裝置的參數,如液晶偏轉角度的Gamma(γ)值、是否左右鏡像、上下顛倒及影像資料排序方式…等。控制介面因傳輸的資料量較小、且為了有效減少MCU及面板間的接腳數,因此通常是以序列的方式來傳輸。常見的序列式傳輸埠有3-wired、4-wired SPI(Serial Port Interface)、I2C(Inter IC)。



3-wired和4-wired SPI


4-wired SPI是目前最常見的序列式傳輸埠,4個接腳功能分別是SS(Slave Select)、SLK(Serial Clock)、MISO(Master In, Slave Out)、MOSI(Master Out, Slave In)。如圖一所示,MCU透過SS訊號選擇對應元件,再根據SCK的上升或下降邊緣來作資料的讀取/寫入。而3-wired SPI與4-wired的動作方式相同,少了SS訊號以一對一方式傳輸;或者少了MISO訊號,面板只讓MCU單向寫入設定參數而無法讀出。



《圖一 SPI Interface Timing Diagram 》

資料來源:http://commons.wikimedia.org


I2C


I2C則是Philips提出的一種簡單的序列式傳輸介面,最多可以利用7位元的位址連接128個不同元件。I2C的動作方式如圖二所示,master端先送出7位元的元件位址及R/W位元以區隔欲讀取/寫入的元件,slave端在收到訊號後再回以ACK位元確認並開始資料傳輸。



但在實際應用上,務必特別小心,筆者曾經透過I2C同時連接MCU與兩個週邊元件,因其中一元件廠商設計上的問題,不論MCU對哪一元件位址下命令都會有所回應,時常造成訊號錯亂而產生誤動作。




《圖二 I2C Timing Diagram 》


資料來源:Philips “The I2C-bus specification”




影像傳輸介面


LVDS


目前微形投影面板常見的幾種影像傳輸介面有LVDS、RGB和Sequential RGB三種。LVDS(Low Voltage Differential Signal)是一種低電壓、差分式、高速的訊號傳輸介面,主要應用於北橋晶片至顯示器之間的傳輸規格。此種訊號的傳輸是以兩條為一組的差分訊號對來傳輸影像資料,且此訊號並非以GND作為輸出訊號的0準位,而是在一個同模電壓上做正、負電壓的變動,如圖三所示。此變動電壓通常為數百毫伏,以較低的電壓差來達到高速傳輸的目的,並利用差分訊號對來提高抗雜訊能力,目前TI的DLP微型投影面板多是採用此種介面傳輸。



《圖三 LVDS波形圖 》

資料來源:TI “Interfacing Between LVPECL, VML, CML, and LVDS Levels”


RGB


RGB介面則是目前使用中、小型顯示器的可攜式裝置最為常見之影像傳輸介面,如:行動電話、PDA、PND…等。RGB是種平行式訊號傳輸埠,依色彩深度一般分為12bits(4-4-4)、16bits(5-6-5)、18bits(6-6-6)、24bits(8-8-8),在每個時脈輸入單一像素的色彩值,並利用HSYNC、VSYNC訊號來作畫面的水平同步校準及垂直同步校準,圖四即為18bits RGB訊號的時序。以800×600的畫面解析度為例,HSYNC需包含800像素,也就是一個水平列,而VSYNC需包含600個HSYNC週期,也就是一個完整的畫面。RGB介面多被採用於除了DLP之外的微型投影面板技術,如LCoS和LASER Scanning。




《圖四 RGB介面之時序圖 》


資料來源:Compal Communications Internal Research,2007




Sequential RGB


Sequential RGB並不像上述兩種介面是標準的規格,而是種Proprietary介面,通常使用於RGB Color Sequential的LCoS面板上,由面板廠商提供FPGA及RAM buffer相關設計,將標準的RGB介面轉換成Sequential RGB。利用RAM buffer將RGB傳輸的影像資料暫存後,分為R、G、B frame輸出至Color Sequential的LCoS面板。此FPGA主要功能有二:一方面轉換介面格式,另一方面控制R、G、B光源duty cycle,以達到白平衡的要求。



《圖五 RGB I/F轉換Sequential RGB示意圖 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2007


電源設計


微型投影模組的電源分為三個部份:數位、類比及光源。數位電源包含I/O及微形投影面板的邏輯、運算核心的電源。類比電源則是供給LCoS液晶轉向偏壓、DLP或LASER Scanning技術MEMS轉向所需偏壓,一般為12~16V左右。亦有面板廠商會將Charge Pump電路內建於面板電路,外部只需提供與數位電源相同的位準即可。在電源設計上,可以選取適當頻率響應的磁珠元件(Bead)將數位與類比電源作良好的隔離,以避免相互干擾、在畫面的顯示上發生抖動或雜訊等情形。



不論是LED或是LASER二極體,都是以大電流、高功率的方式趨動以達到投影畫面的高亮度,因此在光源電源的選擇上,必須避免選用低效率、易產生高熱的LDO(Low Drop-Out)作為電源。我們會建議使用效率較高的DC Switching方式作為光源的電源,但需注意的是,DC Switching切換頻率對影像訊號會產生影響與隔離。此外,DC Switching技術所需的大電流、高電感值的電感,通常需要非常大的佈局面積及高度。若尋求更高切換頻率的電源IC,雖可有效縮小佈局面積,但其電源轉換效率亦會有所犧牲,在設計上須做權衡。



微型投影系統整合要點


整合微型投影系統和一顆應用處理器如圖六所示,應用處理器透過Display Interface將多媒體的資料內容傳遞到微型投影系統,透過Control Interface設定資料傳遞的格式與面板參數。



《圖六 微型投影硬體介面示意圖 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2007


整合的方式可以是Stand-alone,如Pocket Projector,或是以Accessory方式與其它的電子產品結合,亦即藉由USB、HDMI、S-Vedio、DVI的介面與Netbook、Notebook、手機、PMP…等產品結合。另外最近比較常見的直接內建在智慧型手機裡面,像Samsung或是Nokia都是以這種方式結合微型投影裝置。



不同介面應採用相適應的微型投影技術


若以內建的方式結合Netbook、MID等x86架構來說,由於PC中的北橋出來就是LVDS的介面,選擇DLP這樣的微型投影技術比較適合,DLP便是使用LVDS來傳輸影像資訊。若是像內建於手機內則須考量資料傳輸介面的問題,一般手機使用的MCU所常見的Display資料傳輸介面則為RGB或MDDI的介面。另一方面,若是使用DLP的微型投影系統,就必須要使用格式轉換的晶片,方能使用DLP的投影技術,但這樣一來就必須考量額外成本的問題。因此我們認為在一般手機整合上比較適合像LCoS或是LASER Scanning等微型投影系統,因為這兩種投影系統多是使用RGB的介面作為影像的傳輸介面,對系統工程師在整合上較為容易。



注意投影畫面與光軸相對位置


此外,在系統整合時需注意,投影畫面中心與投影光軸的相對位置。在DLP的投影系統中DMD位於鏡頭光軸的下方,所以投影出的畫面中心會在鏡頭光軸的上方。這是一般投影機的設計,投影出來的畫面會在桌面的上方,也就是說屏幕中心與鏡頭光軸偏離。而在目前市面上LCoS的投影設計,為了減少光學鏡組空間及提高影像品質,投影出來的屏幕中心都是位在鏡頭光軸上。所以在整合的時候也需考量整個使用情況,再去決定使用那一種微型投影系統。



Stand-Alone微型投影系統架構


以我們之前研發的微型投影裝置為例,如圖七和圖八所示,考量到微型投影的主要訴求為多媒體行動分享應用,為加強相關功能,我們選用一顆GPU,利用記憶體通道跟應用處理器溝通。利用GPU將多媒體檔案解碼後,將數位資料透過RGB介面傳遞到FPGA裡面。我們使用的LCoS的微型投影系統是使用Sequential RGB的輸入,利用FPGA作介面轉換,傳遞給LCoS微型投影系統,且FPGA也提供RGB LED光源的開關信號以控制光源之duty cycle。




《圖七 Stand-Alone Projector硬體架構圖 》


資料來源:Compal Communications Internal Research,2007




《圖八 Stand-alone Pocket Projector(CCI design, 2007德國iF設計獎) 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2007


微型投影手機硬體架構


微型投影模組與手機的結合方式,可以把硬體架構區分兩種型態。一類為投影畫面和使用者操作的液晶畫面可以同時存在且顯示不同內容,我們稱之為Real Dual Display的投影架構。另外就是投影畫面和液晶螢幕裝置,是透過硬體元件切換的方式,同一個時間點只能有一個顯像裝置啟動或是共用frame buffer顯示相同畫面的投影架構,我們稱之為Fake Dual Display。為了達到多媒體的行動訴求,我們會需要能夠整合一個應用處理器可以驅動兩個獨立且解析度高的顯像裝置,分別提供給微型投影裝置和一般的液晶螢幕使用。



Real Dual Display


之前研發的第一代Project phone如圖九和圖十所示,為了達到雙影像輸出的功能,我們利用記憶體通道來連接一個LCD顯示裝置。此種顯影裝置是透過記憶體通道來傳遞LCD的控制指令和影像像素的RGB資訊,傳遞的過程中需要同時下達控制指令和資料,LCD的控制晶片需要將命令解譯後,才能正確顯像,反應時間不若使用RGB介面直接傳遞像素資料快。一般使用這種記憶體通道的LCD解析度也比較不高,現在對於多媒體的要求越來越高,這樣的硬體裝置也就不敷使用了。




《圖九 Real Dual Display微型投影手機硬體架構圖 》


資料來源:Compal Communications Internal Research,2006




《圖十 Real Dual Display微型投影手機(CCI design) 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2006


Fake Dual Display


針對Fake Dual Display Projector的設計如圖十一和圖十二所示,在整合的過程中,我們為了加入3D的效果,加強影像表現,故選用新的應用處理器,透過RGB I/F連結微型投影系統和液晶螢幕,並利用開關切換這兩個顯像裝置。為了達到行動化、便於攜帶的特點,微型投影裝置整合的趨勢,如圖十及圖十二所示,第一代的Projector Phone和最近整合新一代的Projector Phone,尺寸縮小到可讓一般使用者更能接受的大小,與市面上的智慧型手機大小差不多。



散熱問題


不過系統尺寸縮小,相對會產生散熱問題,故必須加入散熱片或風扇加強散熱,整個機構設計則需考慮到熱對流,避免系統過熱。另外在Fake Dual Display的架構下如圖十三所示,我們使用開關切換影像訊號輸出到想要輸出的顯像裝置,達到切換LCD液晶螢幕和投影系統的目的。




《圖十一 Fake Dual Display Projector Phone硬體架構圖 》


資料來源:Compal Communications Internal Research,2008




《圖十二 Fake Dual Display Projector Phone(CCI design) 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2008


《圖十三 輸出影像切換示意圖 》

資料來源:Compal Communications Internal Research,2008


電磁相容性問題


此外,與桌上型投影設備不同的是,微型投影模組多是應用於可攜式裝置上,故需要克服更為嚴苛的電磁相容性、散熱、掉落測試等要求。電磁相容性就微型投影裝置而言,是一個非常重要的課題,面板若受到電磁干擾將會直接反映在顯示畫面上,造成畫面的不協調、抖動、顏色不均、雜訊等問題。在線路佈局上,需儘量將影像資料傳輸介面的路徑走在PCB內層,並在上、下層及兩邊以地線隔開,更可選取適當R、C或是磁珠元件作為更進一步的濾波電路,放置於MCU及投影元件之間。在電源方面,則需將數位電源與類比電源作適當隔離,並儘量遠離光源所用之DC Switching相關元件,以避免開關切換時所產生之漣波耦合至影像訊號或面板電源產生干擾。至於散熱及機構的穩固性設計,則會在下期做較深入的探討。



結語


(表一) 微型投影技術比較表 <資料來源:Compal Communications Internal Research,2008>



















































 

LASER Scanning

DLP

LCoS

Interface

RGB

LVDS

Sequential RGB / RGB

Light Source

RGB Laser

RGB

RGB or W

Panel power consumption

N/A

Mid


(0.1~0.4W including ASIC)

Low


(~0.1W)

Resolution


(same panel size)

Very High

Mid

High

PCB Footprint Area

Mid


(LASER Driver)

Large


(Control ASIC)

Small


(LED Driver)

Module volume

< 10 c.c.

~10 c.c.

~10 c.c.

Price

High

High

Mid




表一為各種微型投影技術之比較,若就模組體積而言,LASER Scanning技術所佔空間最小,但由於LASER Diode取得不易、雷射的光斑及安全規範問題,目前尚無正式產品推出;至於使用LCoS、DLP技術的投影裝置,市面已可陸續看到相關產品。就目前產品看來,LCoS仍需加強影像對比及亮度問題,而DLP則應將控制用ASIC作更進一步整合,減少在PCB所佔用的空間。



從微型投影系統整合角度來看,首先要考慮傳輸介面的整合,根據想要整合的電子產品,考量成本和產品大小,選用適當的微型投影系統。消費者需要高速的傳輸介面,滿足分享多媒體和高畫質影像內容的需求,因此硬體線路走線就要避免雜訊干擾。現階段微型投影系統整體耗電還是相當大,研發人員可先規劃系統功耗、評估介面相容性、價格等因素,選擇適合的微形投影模組,調校光源功率和亮度,並透過軟硬體的電源管理設計,達到省電效果和延長工作時間。



(本文作者李政育為華寶通訊新技術開發部硬體/電子主任工程師;葉鈉泰為華寶通訊新技術開發部韌體/DSP主任工程師)



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