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

摘要：隨著科技的進(jìn)步.LCD越來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光亮度傳感器LX1970，實(shí)現(xiàn)了對訓(xùn)練器材LCD顯示器的智能調(diào)節(jié)，保證了顯示器能適時清晰地顯示數(shù)據(jù)信息，從而延長LCD的使用壽命。

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示器(LCD)越來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)境的亮度反差過大或過小，都容易造成視覺疲勞，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，就必須適時調(diào)整LCD的背光亮度以保證顯示界面在任何時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)境照度對顯示器的亮度和對比度進(jìn)行適時自動調(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。一般來說，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。但是如果過高，顯示出來的顏色就會偏亮，功耗過高，并產(chǎn)生刺眼的感覺，使人眼疲勞。如果亮度過低，顯示出來的顏色會偏暗，也不利于長時間觀看。對比度調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)顯示器白色與黑色畫面下亮度的比值。白色越亮，黑色越暗，對比度就越高，顯示的畫面就越清晰亮麗，色彩的層次感也就越強(qiáng)。如果對比度小于250：1，在看屏幕時就會產(chǎn)生模糊感。但是高對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)對顯示界面周圍環(huán)境亮度的檢測，為操作手提供良好的視覺效果，需要一種靈敏的亮度傳感器能夠適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的需要，實(shí)現(xiàn)對不同環(huán)境亮度的檢測，并以適當(dāng)?shù)姆绞捷敵?。基于上述因素，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光亮度傳感器，其相對靈敏度與波長的響應(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，對顯示器周圍環(huán)境亮度的明暗程度進(jìn)行感測，并將接收到的可見光轉(zhuǎn)換成電流信號，進(jìn)而對背光源的亮度和顯示器的對比度進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)顯示器可視化的自動調(diào)節(jié)。

芯片正面有一個面積為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，LX1970將采集到的光電流經(jīng)過高增益放大器送至兩個電流輸出端，其中一個是電流吸收器的引腳SNK，另一個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，簡稱灌電流。這兩種電流信號通過R1、R2可分別轉(zhuǎn)換成電壓信號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10～50kΩ。C1和C2為濾波電容，可用來決定傳感器的響應(yīng)時間。

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，可任選一路信號作為輸出電壓U0。當(dāng)顯示器周圍環(huán)境照度小于325 lx時，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小;當(dāng)顯示器周圍環(huán)境照度在325～540lx時，背光熄滅;當(dāng)系統(tǒng)顯示器周圍環(huán)境照度大于540 lx時，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。

2 可視化調(diào)節(jié)的基本原理

在進(jìn)行訓(xùn)練作戰(zhàn)時，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顯示了在陽光直射、晴天戶外(無陽光直射)、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，因此對人眼的刺激會更強(qiáng)烈一些。

人眼主觀亮度感覺S與光源亮度值B的對數(shù)成比例，計算公式如下：

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，人眼能覺察的最小光源亮度變化△BMIN并非定值，即人眼的亮度變化感覺并非決定于絕對亮度變化，而是決定于相對亮度變化。B和△BMIN成正比，相對亮度變化△BMIN/B大致相同。人眼可察覺的最小相對亮度變化△BMIN/B稱為對比靈敏度閾，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DMAX與最小亮度BMIN的比值穩(wěn)定，也就是對比度一定，就能夠給人真實(shí)感。

實(shí)際觀察的時候，人眼的對比靈敏度會受到環(huán)境光亮度值Bφ的影響而下降，實(shí)際的對比度為Cy：

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。針對不同的環(huán)境照度值，LX1970通過檢測顯示器周圍環(huán)境照度值，選擇控制引腳，輸出或吸入相應(yīng)的電流，控制背光電流和對比度調(diào)節(jié)電流，自動調(diào)整背光亮度和對比度，使目標(biāo)信息的顯示達(dá)到最佳效果。

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，虛線是對比度調(diào)節(jié)曲線。背光調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度值小于10lx時，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，同時不會產(chǎn)生眩光。當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度在10～100lx時，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，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，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，屬于正常區(qū)域，不需要開背光電路;當(dāng)環(huán)境照度值在540lx以上時，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。對比度調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)環(huán)境照度小于540lx時，控制顯示器的對比度在一個恒定值;當(dāng)環(huán)境照度大于540lx時，調(diào)節(jié)顯示器的對比度，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將接收可見光并轉(zhuǎn)換成電流信號，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，LX1970能自動開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小圓形采光孔，將LX1970設(shè)置在顯示器孔內(nèi)測量環(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)過高增益放大器送至兩個電流輸出端SRC和SNK端，單片機(jī)通過判斷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)對顯示器背光亮度的自動調(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)在上電開始工作后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，LX1970感測顯示器界面周圍環(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。若檢測到的環(huán)境照度值S>540lx，則計算出需要調(diào)整值后，控制單片機(jī)啟動引腳5進(jìn)行背光控制和對比度調(diào)節(jié);否則顯示器的對比度維持在一個恒定值;若檢測到的環(huán)境照度值S<325 lx，計算出需要調(diào)整值后，控制單片機(jī)啟動引腳5進(jìn)行背光控制;若檢測到的環(huán)境照度值為325 lx≤S≤540lx，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)行下一輪的感測調(diào)節(jié)，通過這種方式來實(shí)現(xiàn)適時調(diào)節(jié)。

結(jié)語

本文在利用LX1970作為感光元件的基礎(chǔ)上，借助微控制技術(shù)，提出了一套完整的武器裝備和模擬訓(xùn)練器顯示界面的可視化智能調(diào)節(jié)方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該方案能夠滿足LCD不同環(huán)境下的可視化需求，無論是軍用還是民用，都具有很高的應(yīng)用價值。