王洪義，趙國(guó)豪，譚錫聯(lián)

(防空兵學(xué)院，鄭州 450052)

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基于LX1970的LCD可視化智能調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)

王洪義，趙國(guó)豪，譚錫聯(lián)

(防空兵學(xué)院，鄭州 450052)

隨著科技的進(jìn)步，LCD越來(lái)越多地用于戶外顯示器、軍事裝備和模擬訓(xùn)練器的顯示界面，但是LCD本身并不能發(fā)光，為了達(dá)到顯示器在各種光照環(huán)境下數(shù)據(jù)信息的清晰顯示目標(biāo)，利用一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器LX1970，實(shí)現(xiàn)了對(duì)訓(xùn)練器材LCD顯示器的智能調(diào)節(jié)，保證了顯示器能適時(shí)清晰地顯示數(shù)據(jù)信息，從而延長(zhǎng)LCD的使用壽命。

LX1970；可視化；智能調(diào)節(jié)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示器(LCD)越來(lái)越多地用于戶外顯示、武器裝備和模擬訓(xùn)練器材的顯示界面。但是由于LCD是一種介于液體和晶體之間的物質(zhì)，本身并不會(huì)發(fā)光，只反射或透射外界光線，因此背光的亮度決定了它的亮度。如果顯示器的亮度和周圍環(huán)境的亮度反差過(guò)大或過(guò)小，都容易造成視覺(jué)疲勞，影響訓(xùn)練和作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。目前，普遍做法是在顯示器周圍加裝防護(hù)罩，這樣不僅增加了顯示器重量，而且效果不好，也給操作手帶來(lái)很多不適應(yīng)。因此，為了適應(yīng)全天候、不同地理環(huán)境情況下作戰(zhàn)訓(xùn)練，就必須適時(shí)調(diào)整LCD的背光亮度以保證顯示界面在任何時(shí)候都能清晰地顯示數(shù)據(jù)信息。

顯示界面可視化智能調(diào)節(jié)主要是根據(jù)顯示器界面周圍的環(huán)境照度對(duì)顯示器的亮度和對(duì)比度進(jìn)行適時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)環(huán)境亮度的變化，使數(shù)據(jù)信息清晰顯示，滿足訓(xùn)練和作戰(zhàn)需要。亮度調(diào)節(jié)是指對(duì)顯示器的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證在亮度較強(qiáng)的環(huán)境下顯示清晰的影像。一般來(lái)說(shuō)，液晶顯示器的亮度越高，顯示的顏色也就越亮，顯示效果也就越好。但是如果過(guò)高，顯示出來(lái)的顏色就會(huì)偏亮，功耗過(guò)高，并產(chǎn)生刺眼的感覺(jué)，使人眼疲勞。如果亮度過(guò)低，顯示出來(lái)的顏色會(huì)偏暗，也不利于長(zhǎng)時(shí)間觀看。對(duì)比度調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)顯示器白色與黑色畫(huà)面下亮度的比值。白色越亮,黑色越暗，對(duì)比度就越高，顯示的畫(huà)面就越清晰亮麗，色彩的層次感也就越強(qiáng)。如果對(duì)比度小于250:1，在看屏幕時(shí)就會(huì)產(chǎn)生模糊感。但是高對(duì)比度和高亮度的顯示器由于太亮，容易令眼睛疲勞，甚至?xí)a(chǎn)生眩光，所以須將亮度和對(duì)比度調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)乃健?/p>

1 亮度傳感器的選擇

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示界面周圍環(huán)境亮度的檢測(cè)，為操作手提供良好的視覺(jué)效果，需要一種靈敏的亮度傳感器能夠適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境亮度的檢測(cè)，并以適當(dāng)?shù)姆绞捷敵觥；谏鲜鲆蛩?，系統(tǒng)選擇了LX1970作為顯示器的感光元件。

LX1970是一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器，其相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線如圖1中粗線所示，細(xì)線是人眼的響應(yīng)曲線(峰值波長(zhǎng)為550 nm)。如圖1中所示，LX1970接收光的波段與人眼非常相近，并且也像人眼一樣靈敏，因而能代替人眼去感受環(huán)境亮度的明暗程度，對(duì)顯示器周圍環(huán)境亮度的明暗程度進(jìn)行感測(cè)，并將接收到的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，進(jìn)而對(duì)背光源的亮度和顯示器的對(duì)比度進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)顯示器可視化的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 LX1970的相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線

芯片正面有一個(gè)面積為0.369 mm2的受光區(qū)。UDD和USS分別接電源的正、負(fù)極。SNK為電流接收器的引出端，SRC為輸出電流源的引出端，其余NC均為空腳。芯片工作時(shí)，LX1970將采集到的光電流經(jīng)過(guò)高增益放大器送至兩個(gè)電流輸出端，其中一個(gè)是電流吸收器的引腳SNK，另一個(gè)是輸出電流源的引腳SRC，二者的電流分別為ISNK和ISRC。其中,ISNK為灌入芯片中的電流，簡(jiǎn)稱灌電流。這兩種電流信號(hào)通過(guò)R1、R2可分別轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)USNK、USRC。改變R1(或R2)的電阻值可調(diào)整電壓增益，電阻值允許范圍是10～50 kΩ。C1和C2為濾波電容，可用來(lái)決定傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

傳感器的引腳4輸出的USNK與環(huán)境亮度成反比，引腳5的電壓USRC與環(huán)境亮度成正比，二者呈互補(bǔ)輸出特性。其輸出特性曲線如圖2所示，可任選一路信號(hào)作為輸出電壓U0。當(dāng)顯示器周圍環(huán)境照度小于325 lx時(shí)，背光控制系統(tǒng)采用引腳4，使背光亮度隨顯示器周圍環(huán)境照度的增大而不斷減?。划?dāng)顯示器周圍環(huán)境照度在325～540 lx時(shí)，背光熄滅；當(dāng)系統(tǒng)顯示器周圍環(huán)境照度大于540 lx時(shí)，背光控制系統(tǒng)采用引腳5，使背光亮度隨顯示器周圍環(huán)境照度的增大而不斷增大。

圖2 LX1970輸出特性曲線

2 可視化調(diào)節(jié)的基本原理

在進(jìn)行訓(xùn)練作戰(zhàn)時(shí)，操作手的眼睛與目標(biāo)顯示屏的距離約為30 cm，顯示器周圍環(huán)境的照度值主要是自然光在顯示器周圍的照度值。表1顯示了在陽(yáng)光直射、晴天戶外(無(wú)陽(yáng)光直射)、陰天戶外、晴朗夏天室內(nèi)、晨昏蒙影和夜晚6種典型環(huán)境下的照度值，由于LCD表面較為光滑，因此對(duì)人眼的刺激會(huì)更強(qiáng)烈一些。

表1 環(huán)境常見(jiàn)照度值

人眼主觀亮度感覺(jué)S與光源亮度值B的對(duì)數(shù)成比例，計(jì)算公式如下：

S=K·lgB+K0

(1)

式中：K0、K為與周圍環(huán)境亮度有關(guān)的常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，在不同的亮度值下，人眼能覺(jué)察的最小光源亮度變化ΔBMIN并非定值，即人眼的亮度變化感覺(jué)并非決定于絕對(duì)亮度變化，而是決定于相對(duì)亮度變化。B和ΔBMIN成正比，相對(duì)亮度變化ΔBMIN/B大致相同。人眼可察覺(jué)的最小相對(duì)亮度變化ΔBMIN/B稱為對(duì)比靈敏度閾，用δ表示，其值通常在0.005～0.05。故只要保持光源的最大亮度BMAX與最小亮度BMIN的比值穩(wěn)定，也就是對(duì)比度一定，就能夠給人真實(shí)感。

實(shí)際觀察的時(shí)候，人眼的對(duì)比靈敏度會(huì)受到環(huán)境光亮度值BΦ的影響而下降，實(shí)際的對(duì)比度為Cγ：

(2)

顯示界面可視化的目的是，在保證操作手能看清顯示內(nèi)容的情況下，盡量降低功耗。針對(duì)不同的環(huán)境照度值，LX1970通過(guò)檢測(cè)顯示器周圍環(huán)境照度值，選擇控制引腳，輸出或吸入相應(yīng)的電流，控制背光電流和對(duì)比度調(diào)節(jié)電流，自動(dòng)調(diào)整背光亮度和對(duì)比度，使目標(biāo)信息的顯示達(dá)到最佳效果。

圖3 可視化調(diào)節(jié)控制曲線

圖4 可視化調(diào)節(jié)原理圖

調(diào)節(jié)控制曲線如圖3所示，實(shí)線是背光調(diào)節(jié)曲線，虛線是對(duì)比度調(diào)節(jié)曲線。背光調(diào)節(jié)過(guò)程是：當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度值小于10 lx時(shí)，屬于黑暗區(qū)，需要供給背光電路以恒定電流，保證操作手能夠看清顯示內(nèi)容，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生眩光。當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度在10～100 lx時(shí),隨著顯示界面周圍環(huán)境亮度的增大，到達(dá)弱光區(qū)域，背光亮度逐漸增大，當(dāng)環(huán)境照度值達(dá)到100 lx時(shí)，環(huán)境照度加上顯示器背光亮度能夠滿足操作手需要；當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度的繼續(xù)增大時(shí)，在滿足需要的情況下，為了降低功耗，減弱了背光亮度；當(dāng)環(huán)境照度值在325～540 lx時(shí)，屬于正常區(qū)域，不需要開(kāi)背光電路；當(dāng)環(huán)境照度值在540 lx以上時(shí)，背光亮度應(yīng)該隨著環(huán)境照度值的增加不斷加大，以使操作手能看清顯示信息。對(duì)比度調(diào)節(jié)過(guò)程是：當(dāng)環(huán)境照度小于540 lx時(shí)，控制顯示器的對(duì)比度在一個(gè)恒定值;當(dāng)環(huán)境照度大于540 lx時(shí)，調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度，使其隨著環(huán)境照度的增大而增大。

3 可視化調(diào)節(jié)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

光亮傳感器LX1970將接收可見(jiàn)光并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，SNK端、SRC端電流大小反映了亮度的高低。當(dāng)環(huán)境亮度明顯變暗時(shí)，LX1970能自動(dòng)開(kāi)啟顯示器的背光源以提高顯示器的亮度。

基本結(jié)構(gòu)是在顯示器的表面挖一個(gè)小圓形采光孔，將LX1970設(shè)置在顯示器孔內(nèi)測(cè)量環(huán)境照度值，可視化調(diào)節(jié)的硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示，其由單片機(jī)STC89C55、亮度傳感器LX1970、液晶顯示器、電源和相關(guān)電路組成。其中亮度傳感器將采集到的顯示器界面光電流經(jīng)過(guò)高增益放大器送至兩個(gè)電流輸出端SRC和SNK端，單片機(jī)通過(guò)判斷SRC和SNK電流的大小，得到環(huán)境亮度值的大小，選擇控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器背光亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。亮度傳感器的電流輸出端SRC與液晶顯示器的20引腳連接，電流吸入端SNK與液晶顯示器的19引腳連接，并分別與單片機(jī)的23引腳相連，以控制SRC端、SNK端與顯示器模塊間電流的通斷。單片機(jī)的22引腳也與液晶顯示器的19引腳連接，以提供恒電流。

軟件工作流程如圖5所示，系統(tǒng)在上電開(kāi)始工作后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，LX1970感測(cè)顯示器界面周圍環(huán)境照度值，輸出相應(yīng)的電流值送至控制單片機(jī)進(jìn)行判別。若檢測(cè)到的環(huán)境照度值S>540 lx，則計(jì)算出需要調(diào)整值后，控制單片機(jī)啟動(dòng)引腳5進(jìn)行背光控制和對(duì)比度調(diào)節(jié)；否則，顯示器的對(duì)比度維持在一個(gè)恒定值；若檢測(cè)到的環(huán)境照度值S<325 lx，計(jì)算出需要調(diào)整值后，控制單片機(jī)啟動(dòng)引腳5進(jìn)行背光控制；若檢測(cè)到的環(huán)境照度值為325 lx≤S≤540 lx，背光關(guān)閉。調(diào)整完成后，LX1970繼續(xù)采集環(huán)境照度值進(jìn)行下一輪的感測(cè)調(diào)節(jié)，通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)適時(shí)調(diào)節(jié)。

圖5 可視化實(shí)現(xiàn)的軟件工作流程

結(jié) 語(yǔ)

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王洪義(碩士研究生)，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)應(yīng)用；趙國(guó)豪(教授)，研究方向?yàn)榉揽毡夹g(shù)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用；譚錫聯(lián)(講師)，研究方向?yàn)榉揽毡夹g(shù)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用。

結(jié) 語(yǔ)

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(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2014-01-02)

LCD Visualization Intelligent Control Unit Based on LX1970

Wang Hongyi, Zhao Guohao, Tan Xilian

(Air Defense Forces College of PLA，Zhengzhou 450052,China)

With the progress of science and technology, LCD plays a more important part in monitor of outdoor display, military equipment and training simulator, but LCD itself is not luminous. In order to make the displayed express information clear under various environment, this paper presents a sensor LX1970 which is eye-simulated and integration-luminous.The design can intelligently adjust the LCD display of training equipment, it can show data information timely, which can prolong the service life of the LCD.

LX1970; visualization; intelligent control

TP21

A

迪娜

2014-01-02)