相較于透射式LCD，LCoS具有光利用率高、體積小、開口率高、器件尺寸小等特點，可以很容易地實現高分辨率和微顯示投影。采用彩色LCoS屏顯示基于RGB的彩色圖像，經過光學成像系統投影到接收屏上，實現計算全息圖像的三維顯示。
基于FPGA的顯示系統有以下優勢：第一，LCoS尺寸小，便于實現微投影，利用可靈活編程的FPGA器件作為驅動控制器，這樣就可以將其做成像普通投影儀一樣的微型投影設備，使計算全息三維顯示擺脫了計算機和復雜光路的束縛，具有了更高的靈活性，為其走出實驗室提供了條件。第二，因為在傳統空間光調制器上得到的圖像里含有物波和參考光的復共軛像，形成了噪聲，在FPGA上可以實現圖像濾波去噪，使得到的圖像更清晰。第三，FPGA是基于可編程邏輯單元的器件，當經過綜合、布局布線、時鐘約束的代碼燒錄到FPGA器件后，FPGA就將算法代碼硬件化了，可以作為專用芯片工作，其內部信號延時完全是硬件級傳輸延時。在處理數據搬移和復雜的數學運算以及一些循環操作時，例如圖像的FFT變換，FPGA硬件運算要比軟件運算快得多，即利用FPGA器件實現對軟件算法的硬件加速。
基于以上原因，本文設計了基于FPGA的LCoS驅動代碼及圖像的FFT變換系統，為計算全息三維顯示圖像處理和顯示提供了硬件平臺。
1 系統設計
1．1 系統模塊框圖：
該系統采用CycloneⅢ EP3C5E144C8，該芯片有5 136個LE，95個用戶I／O，2個PLL，以及46個嵌入式乘法器和423 936 b的內部邏輯寄存器。以它豐富的資源，完全可以作為LCoS的驅動控制器件。顯示屏采用Himax的反射式LCoS屏HX7308，其分辨率為1 024×768，可以支持256級灰度顯示，具有內置的行場驅動電路，在外部輸入時鐘的上升沿和下降沿分別接收8b×4dots圖像數據，這保證了場頻可高達360 Hz。
系統的整體框圖如圖1所示。
1．2 PLL及系統復位模塊
采用Altera的鎖相環IP核，外部輸入時鐘為20 MHz，經倍頻后得到其他各模塊的驅動時鐘，以及LCoS的驅動時鐘信號。為防止系統異步復位時寄存器出現亞穩態，設計了PLL的前級和后級D觸發器。因為鎖相環的locked引腳在鎖相環穩定輸出后才會跳變為高電平，所以為保證其他模塊得到穩定的時鐘信號，將locked引腳和外部輸入復位信號rst_n相與后作為整個系統的復位信號。
1．3 單口ROM模塊
利用FPGA內部的M9K存儲器資源實現的單口ROM作為源圖像的數據存儲器。將分辨率為176×144(QCIF)的256階灰度位圖圖像初始化到單口ROM里，所需數據深度為25 344 B。當異步FIFO沒寫滿時，單口ROM將按圖像存儲地址依次輸出圖像數據給FFT核做快速傅里葉變換。經過處理的圖像數據暫存到FIFO)里，等待行場時序控制器模塊取用。
1．4 異步FIFO模塊
按其數據地址最高2位分為4個區間，讀／寫指針分別對某一區間操作，當讀／寫指針相等時通過譯碼器產生FIFO已讀空或者已寫滿標志信號。為避免地址信號變化時出現冒險競爭現象，寫地址和讀地址指針都采用格雷碼編碼。在讀空比較子模塊和寫滿比較子模塊里加入了FI-FO“將空”和“將滿”檢驗機制，有效地保證了FIFO正確無誤的工作。在寫時鐘wrclk的上升沿，異步FIFO每個地址對應的存儲單元里被寫入8bits數據，在讀時鐘rdclk的上升沿，FIFO四塊連續地址上的32bits數據輸出，即讀FIFO的速率相當于寫FIFO速率的4倍速。
1．5 I2C狀態機模塊
沒有滿足I2C配置條件時，狀態機處于空閑狀態，當滿足I2C配置條件時，狀態機在狀態標志位的控制下依次輸出配置地址和配置數據。當數據配置結束時，狀態機產生停止信號，并拉高輸出引腳iic_config，通知行場時序控制器模塊開始工作，這樣保證了LCoS屏能在正確配置下工作。狀態機工作原理如圖2所示。
