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    基于FPGA的液晶顯示屏測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置

    2014-03-21 09:59:36王學(xué)亮
    液晶與顯示 2014年1期
    關(guān)鍵詞:色溫液晶控制器

    趙 磊,王學(xué)亮,鞏 巖

    (中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春130033)

    1 引 言

    近年來(lái)液晶顯示屏(LCD)已逐漸成為計(jì)算機(jī)顯示終端和家用平板電視的主流。液晶顯示屏在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中通常需要采用標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)進(jìn)行白平衡調(diào)整,以保證顏色復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性與一致性。所謂白平衡調(diào)整,是指當(dāng)輸入不同等級(jí)的灰度信號(hào)時(shí),復(fù)現(xiàn)的白場(chǎng)只有亮度的變化,色品坐標(biāo)值與輸入白場(chǎng)信號(hào)的色品坐標(biāo)值保持一致。如果白平衡未調(diào)整或者調(diào)整不好,即復(fù)現(xiàn)的白場(chǎng)色品坐標(biāo)值與輸入白場(chǎng)信號(hào)的色品坐標(biāo)值不一致,在彩色圖像復(fù)現(xiàn)時(shí)出現(xiàn)較大的顏色失真,會(huì)引起所復(fù)現(xiàn)圖像的不真實(shí)感。

    液晶顯示屏在進(jìn)行白平衡調(diào)整時(shí)需要輸入標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)信號(hào),以完成液晶顯示器的圖像測(cè)試色品坐標(biāo)的調(diào)整標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)作為調(diào)整的基準(zhǔn),其準(zhǔn)確性直接影響著被標(biāo)定液晶顯示屏的顯示精度。因此研制能夠生成標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)的裝置具有重要的意義。

    基于此,本文研制了一種基于FPGA 的液晶顯示屏測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置。該標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置具有不依賴(lài)于標(biāo)準(zhǔn)光源、色溫可調(diào)的功能,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)后可為液晶顯示屏生產(chǎn)商提供標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)。本文旨在介紹該標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的工作原理、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

    2 標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的工作原理

    物體顏色會(huì)隨著投射光線顏色而發(fā)生改變,不同光線照射相同的物體時(shí),呈現(xiàn)的顏色相差很大。為了比較區(qū)分不同光源的特性,國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)光源,并用基本參量色溫表示[1]。不同色溫下,目標(biāo)物的色彩會(huì)發(fā)生變化,其中白色物體的變化最為顯著。為了盡可能減少外界光線對(duì)目標(biāo)顏色的影響,使不同色溫條件下都能還原被攝目標(biāo)本來(lái)的色彩,需要進(jìn)行色彩校正,同時(shí)由于白光中RGB 分量強(qiáng)度相同,校正了白光也就可以校正其他顏色的光,因此調(diào)整白平衡的本質(zhì)就是調(diào)整色溫值[2]。

    白平衡調(diào)整的基礎(chǔ)是三基色原理,根據(jù)原理任一種顏色都可以用紅、綠、藍(lán)三原色的量,即三刺激值X、Y、Z 來(lái)表示,如公式(1)所示。

    其中:Pe為發(fā)光體的相對(duì)光譜功率分布,k 為常數(shù),x(λ)、y(λ)、z(λ)為1931CIE-XYZ 標(biāo) 準(zhǔn) 色 度觀察者光譜三刺激值函數(shù)[3]。

    刺激值Y 表示顏色的亮度,根據(jù)得到的三刺激值X、Y、Z,由公式(2)可求出該顏色在CIE 色度坐標(biāo)系統(tǒng)中的色品坐標(biāo)(x,y)值[3]。

    基于以上原理,本文研制了基于FPGA 的液晶顯示屏測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置。該裝置工作過(guò)程可分為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)模式和用戶輸出模式。在標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)模式下,采用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)研制的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置色溫值進(jìn)行檢測(cè),并調(diào)整圖像的紅、綠、藍(lán)分量,使其與標(biāo)準(zhǔn)值一致,然后將定標(biāo)后的RGB分量存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中,從而完成標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)。用戶輸出模式時(shí),讀取內(nèi)部存儲(chǔ)的多組色溫白場(chǎng)的RGB分量值并驅(qū)動(dòng)液晶顯示器輸出白場(chǎng)圖像,為計(jì)算機(jī)顯示終端和家用平板電視等液晶顯示屏的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定提供基準(zhǔn)。

    3 標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的硬件系統(tǒng)

    標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的硬件系統(tǒng)如圖1所示,主要包括FPGA 主控模塊、顯示器模塊、人機(jī)接口模塊、探頭和亮度采集模塊、電源模塊等。

    FPGA 主控模塊用以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的外圍設(shè)備的操作和邏輯控制。FPGA 控制器采用Xilinx公司的Spartan-3系列XC3S400,它將邏輯、存儲(chǔ)器及I/O 管理結(jié)合在一起,且片內(nèi)集成了288 kbit Block RAM 和數(shù)字時(shí)鐘管理(DCM),其資源滿足 設(shè) 計(jì) 需 要[4]。DAC 采 用Anolog Devices公司的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125,以1.225V 作為參考電壓,Rset引腳與參考地之間接514Ω 電阻,使色彩的最高飽和度對(duì)應(yīng)輸出電流值為19.04mA,負(fù)載端產(chǎn)生0.714V 電壓,符合PAL視頻標(biāo)準(zhǔn)[5]。Flash ROM 采用Macronix公司MX29LV320并行NOR Flash,將其配置為字節(jié)模式,其存儲(chǔ)容量32Mbits,滿足本文使用的800×600@60 Hz的SVGA 標(biāo)準(zhǔn)分辨率和每像素點(diǎn)3個(gè)8位色彩分量值至少11 Mbits存儲(chǔ)容量的要求[6-7]。

    圖1 標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置硬件系統(tǒng)Fig.1 Hardware system of the white field apparatus

    顯示器模塊用以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置圖像的輸出,選用AU OPTRONICS 生產(chǎn)的M220EW01 V0型號(hào)55.9cm(22in)寬屏16∶9LCD,其主要性能參數(shù)為:垂直視角160°,水平視角170°,光學(xué)響應(yīng)時(shí)間5ms,對(duì)比度典型值1 000∶1,分辨率1 680×3(RGB)×1 050,支持WSXGA+顯示格式,達(dá)到16.7M 彩色分辨率(RGB 均為8位),點(diǎn)距為0.282mm×0.282mm,尺寸為493.7mm×320.1mm×16.5mm。

    人機(jī)接口模塊由按鍵和LCM 構(gòu)成,用以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的工作模式和白場(chǎng)色溫進(jìn)行設(shè)定。LCM 采用內(nèi)置HD44780 液晶顯示控制器的1602型液晶模塊,顯示16 個(gè)字符×2 行西文字符。LCM 控制器負(fù)責(zé)為調(diào)用LCM 控制器的上層模塊提供接口,確保上電后執(zhí)行且僅執(zhí)行一次初始化,輸出有效信號(hào)激勵(lì)端口驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行寫(xiě)操作,并對(duì)更新顯示的字符進(jìn)行計(jì)數(shù)[8-9]。

    探頭模塊用于實(shí)時(shí)采集液晶屏的顯示亮度,并通過(guò)亮度采集模塊顯示到標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置頂部的四位數(shù)碼管上。

    4 標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的軟件系統(tǒng)

    標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)的方式,每個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)有上層調(diào)用的接口,具有良好的可移植性和通用性。軟件系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)采集、機(jī)械按鍵去抖、內(nèi)部顯示模式狀態(tài)機(jī)、SVGA 時(shí)序驅(qū)動(dòng)、Flash器件和字符型液晶模塊LCM 器件驅(qū)動(dòng)和輔助調(diào)試用接口驅(qū)動(dòng)等功能[10]。其中,內(nèi)部顯示模塊狀態(tài)機(jī)、機(jī)械按鍵去抖和LCM 控制器在本節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

    4.1 內(nèi)部顯示模式狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

    為了使白場(chǎng)儀可以顯示不同色溫的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng),以及具有標(biāo)定功能,白場(chǎng)儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示模式控制狀態(tài)機(jī),負(fù)責(zé)對(duì)多種顯示模式進(jìn)行切換。顯示模式控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖2所示。

    圖2 顯示模式控制狀態(tài)機(jī)Fig.2 State machine of the display mode controller

    其工作過(guò)程如下:

    (1)系統(tǒng)復(fù)位以后,顯示模式狀態(tài)機(jī)處于空閑(idle)狀態(tài);

    (2)檢測(cè)外部“模式”按鍵的輸入信號(hào),依次由空閑狀態(tài)切換至標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)狀態(tài)、6 500 K 色溫白場(chǎng)輸出狀態(tài)、9 300 K 色溫白場(chǎng)輸出狀態(tài)、12 500K 色溫白場(chǎng)輸出狀態(tài);

    (3)系統(tǒng)在任何其他狀態(tài)下,檢測(cè)到外部“復(fù)位”按鍵的輸入信號(hào)時(shí),系統(tǒng)都將切換至空閑狀態(tài)。

    4.2 機(jī)械按鍵去抖設(shè)計(jì)

    機(jī)械按鍵是儀器的人機(jī)接口,由于機(jī)械觸點(diǎn)存在彈性,每當(dāng)按鍵閉合和斷開(kāi)時(shí)觸點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反彈,從而出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)約數(shù)毫秒的往復(fù)接通斷開(kāi)“抖動(dòng)”現(xiàn)象,因此儀器內(nèi)部的控制器要對(duì)機(jī)械按鍵的輸入信號(hào)進(jìn)行去抖處理。

    本設(shè)計(jì)采用的VHDL去抖方法如圖3所示,以單位時(shí)間信號(hào)作為進(jìn)程的敏感信號(hào),每隔單位時(shí)間執(zhí)行一次判斷流程。當(dāng)輸入信號(hào)保持設(shè)定時(shí)間的有效電平時(shí),輸出有效電平,否則輸出無(wú)效電平。通過(guò)調(diào)整單位時(shí)間信號(hào)和計(jì)數(shù)器設(shè)定值可以改變對(duì)機(jī)械按鍵輸入的采樣靈敏度和去抖的作用時(shí)間。

    圖4是應(yīng)用該去抖方法的行為仿真圖,其中btn_2_in是輸入信號(hào),模擬帶有機(jī)械振動(dòng)的按鍵輸入,btn_sig是經(jīng)去抖處理后的輸出信號(hào)。在仿真中,單位時(shí)間信號(hào)設(shè)定為2μs,計(jì)數(shù)器設(shè)定值為2 000,有效電平設(shè)定為高電平,可以看到只有當(dāng)輸入信號(hào)保持4ms高電平以后,輸出信號(hào)才會(huì)變?yōu)楦唠娖剑駝t始終輸出低電平,達(dá)到去抖效果。

    圖3 VHDL去抖方法Fig.3 VHDL debouncing method

    圖4 VHDL去抖的行為仿真Fig.4 Behavoral simulation of debouncing operation

    4.3 LCM 控制器的設(shè)計(jì)

    LCM 控制器負(fù)責(zé)為調(diào)用LCM 控制器的上層模塊提供接口,確保上電后執(zhí)行且僅執(zhí)行一次初始化,輸出有效信號(hào)激勵(lì)端口驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行寫(xiě)操作,并對(duì)更新顯示的字符進(jìn)行計(jì)數(shù),其狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖5所示,其工作過(guò)程如下:

    圖5 LCM 控制器的上層狀態(tài)機(jī)Fig.5 Upper state machine of the LCM controller

    (1)復(fù)位以后,LCM 控制器處于空閑(idle)狀態(tài);

    (2)所有不確定(otherstates)狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài);

    (3)未初始化時(shí),空閑狀態(tài)自動(dòng)順序轉(zhuǎn)換到清屏(cleardispay)、功能設(shè)置(setdlnf)、輸入方式設(shè)置(setidsh)和顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置(setdcb)等狀態(tài)以完成初始化;已初始化時(shí),空閑狀態(tài)響應(yīng)更新顯示信號(hào)(lcm_refresh),其有效時(shí)轉(zhuǎn)換到設(shè)置第一行顯示地址(setline0)狀態(tài),其無(wú)效時(shí)保持在空閑狀態(tài);

    (4)設(shè)置第一行顯示地址狀態(tài)轉(zhuǎn)換到更新顯示數(shù)據(jù)(writedata)狀態(tài),更新顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器(cnt)進(jìn)行判斷,當(dāng)計(jì)數(shù)值為15時(shí)轉(zhuǎn)換到設(shè)置第二行顯示地址(setline1)狀態(tài),當(dāng)計(jì)數(shù)值為31時(shí)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài),否則轉(zhuǎn)換到等待寫(xiě)完成(writewait)狀態(tài);

    (5)等待寫(xiě)完成狀態(tài)響應(yīng)下層狀態(tài)機(jī)反饋的寫(xiě)完成信號(hào)(write_done),其有效時(shí)轉(zhuǎn)換到更新顯示數(shù)據(jù)狀態(tài),以更新下一位字符,否則保持等待寫(xiě)完成狀態(tài)。

    圖6 LCM 寫(xiě)指令操作的行為仿真Fig.6 Behavoral simulation of LCM operation of writing instruction

    圖5中,RS、RW、E和D是LCM 控制器端口,與LCM 器件相應(yīng)引腳直接相連,lcm_refresh和disp是LCM 控制器的寄存器,為上層調(diào)用模塊提供接口,其余是內(nèi)部信號(hào)。圖6是該控制器對(duì)LCM 器件指令寄存器進(jìn)行寫(xiě)入數(shù)據(jù)0x38進(jìn)行行為仿真的結(jié)果。其中設(shè)置clk_sys_in輸入50MHz,wr_enable輸入模擬上層調(diào)用一次寫(xiě)操作。

    5 實(shí)驗(yàn)研究

    本文研制的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置功能上可以產(chǎn)生如下3種圖像,第一種圖像是灰度值可調(diào)的純彩色圖像,包括純紅、純綠、純藍(lán)圖像,如圖7所示,顯示此類(lèi)圖像時(shí),只要將RGB 值設(shè)定到某一組合值便可;第二類(lèi)是色彩不同的彩條圖像,如圖8所示,顯示此類(lèi)圖像時(shí)需通過(guò)在行計(jì)數(shù)器和列計(jì)數(shù)器送入不同的RGB 值實(shí)現(xiàn);第三類(lèi)是速度可調(diào)的運(yùn)動(dòng)圖像,顯示此類(lèi)圖像時(shí)RGB 值需隨時(shí)間變化而變化,如圖9為方塊運(yùn)動(dòng)圖。

    中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院采用PR-715光譜掃描系統(tǒng)對(duì)本文研制的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo),該光譜掃描系統(tǒng)具有測(cè)量1931CIE-x,y 色坐標(biāo)、X/Y/Z 三刺激值、色溫(CCT)等參數(shù)的能力。標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)在25 ℃、59%濕度和暗室環(huán)境條件下進(jìn)行,測(cè)量過(guò)程中保證PR-715光譜掃描系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的被測(cè)區(qū)域正交垂直,測(cè)試距離為顯示器對(duì)角線距離的3~4倍,如圖10所示[11-12]。

    圖7 灰度值可調(diào)的純彩色圖像Fig.7 Pure colorized picture

    圖8 彩條圖像Fig.8 Colorized strip of the white field apparatus

    圖9 速度可調(diào)的運(yùn)動(dòng)圖像Fig.9 Movable picture with adjustable velocity

    圖10 標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)裝置示意圖Fig.10 Schematic of the calibration device

    圖11 標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的12 500K 色溫白場(chǎng)Fig.11 White field apparatus of 12 500Kcolor temperature

    標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)后的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置,以800×600@60 Hz分辨率輸出白場(chǎng)圖像??奢敵? 500、9 300K和12 500K3種色溫的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng),圖11為輸出12 500K 色溫時(shí)的圖像。測(cè)試表明,本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠,24h內(nèi)輸出白場(chǎng)圖像的亮度誤差小于0.5%。

    本文研制的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置,通過(guò)修改設(shè)置還可以輸出用于對(duì)比度測(cè)試的黑白方塊圖像,如圖12所示。

    圖12 對(duì)比度測(cè)試用黑白方塊圖像Fig.12 Black-white square picture used for contract testing

    6 結(jié) 論

    研制了一種基于FPGA 控制器的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置。介紹了標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)的工作原理,完成了裝置的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),最后對(duì)研制的設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置可輸出6 500、9 300K 和12 500K3種色溫的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng),具有不依賴(lài)標(biāo)準(zhǔn)光源、色溫可調(diào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。標(biāo)定后的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置能夠生成色溫可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng),24h內(nèi)輸出亮度誤差小于0.5%。該標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)裝置的系統(tǒng)集成度高,標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)調(diào)節(jié)過(guò)程簡(jiǎn)單,能夠記錄和輸出多種色溫的標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng),具有良好的亮度穩(wěn)定性,可以為液晶顯示屏生產(chǎn)廠商提供色彩標(biāo)定的基準(zhǔn)。

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