基于LX1970的LCD可視化智能調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)
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(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。
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(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(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(huì)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(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)。
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10~50kΩ。C1和C2為濾波電容,可用來決定傳感器的響應(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小;當(dāng)顯示器周圍環(huán)境照度在325~540lx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。
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(duì)人眼的刺激會(huì)更強(qiáng)烈一些。
人眼主觀亮度感覺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(duì)亮度變化,而是決定于相對(duì)亮度變化。B和△BMIN成正比,相對(duì)亮度變化△BMIN/B大致相同。人眼可察覺的最小相對(duì)亮度變化△BMIN/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DMAX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(duì)不同的環(huán)境照度值,LX1970通過檢測(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。
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)過程是:當(dāng)顯示界面周圍環(huán)境亮度值小于10lx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10~100lx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,不需要開背光電路;當(dāng)環(huán)境照度值在540lx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)過程是:當(dāng)環(huán)境照度小于540lx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540lx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>540lx,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≤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(cè)調(diào)節(jié),通過這種方式來實(shí)現(xiàn)適時(shí)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(jià)值。