LED背光源節(jié)電系統(tǒng)

現(xiàn)在大街上隨處可見(jiàn)的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見(jiàn)LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。節(jié)能環(huán)保技術(shù)是當(dāng)前世界所關(guān)注的焦點(diǎn)，在液晶顯示模組中，背光源的功耗最高可占總功耗的50%以上。尤其在10in以下顯示產(chǎn)品如手機(jī)、PDA、MP3等便攜式設(shè)備中，基本采用電池供電，功耗問(wèn)題尤為突出。

為有效降低液晶顯示器背光源的亮度，以達(dá)到節(jié)電目的，本文在ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一種基于直方圖變換的背光源調(diào)光方法，實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)現(xiàn)背光節(jié)電約35%。

1背光源調(diào)光方案

以TFT液晶面板結(jié)構(gòu)為例，包括背光、偏光片、液晶陣列、彩色濾光片等部分，人眼所感知的顯示圖像為上述各部分的綜合效果。假設(shè)背光亮度歸一化后設(shè)為b(為[0,1]區(qū)間實(shí)數(shù))，0對(duì)應(yīng)于背光關(guān)閉情況，1對(duì)應(yīng)于背光發(fā)光亮度最大情況。若光源為L(zhǎng)ED,則b的調(diào)節(jié)可包括電流脈寬調(diào)制、電流幅度調(diào)節(jié)等方法。

假設(shè)以圖像為8bit灰度圖進(jìn)行討論，f(x,y)表示圖像中某點(diǎn)(x,y)的灰度值，x、y為該點(diǎn)坐標(biāo)。則該點(diǎn)位置的液晶透過(guò)率可表示為：

t(x,y)=f(x,y)/255(1)

該圖像點(diǎn)可被觀測(cè)到的亮度L(x,y)為背光源發(fā)光和液晶透過(guò)率的綜合效果，可表示為背光亮度b和液晶透過(guò)率t(x,y)的近似線性組合：

L(x,y)=b·t(x,y)=b·f(x,y)/255(2)

根據(jù)視覺(jué)光效一致性的要求，必須尋找一種方法使像素灰度值在增大(以補(bǔ)償背光b變小)的時(shí)候盡量不飽和。為達(dá)到這個(gè)目的，本文首先將圖像灰度值范圍先限制在一定區(qū)間，然后再對(duì)直方圖進(jìn)行拉伸，以實(shí)現(xiàn)像素灰度值的增大。圖像直方圖由門限fgl和fgh進(jìn)行裁剪，使圖像中的某些點(diǎn)被鉗位于fgl和fgh,該圖像的灰度區(qū)間限制于[fgl,fgh],背光源調(diào)光問(wèn)題轉(zhuǎn)化為這幅直方圖經(jīng)過(guò)裁剪的圖像應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行調(diào)整，使得它的背光能盡量降低亮度。

顯然對(duì)固定的失真度，fgl和fgh可以有多種取值，這里取值方式應(yīng)滿足公式(3)：

min(fgh-fgl)(3)

這樣處理的目的是將圖像灰度區(qū)間限制在一個(gè)最小范圍內(nèi)。

公式(3)實(shí)現(xiàn)后，下一步對(duì)直方圖進(jìn)行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動(dòng)fgl.這樣圖像灰度區(qū)域由[0,255]區(qū)間內(nèi)的原分布，被壓縮在[0,fgh-fgl]區(qū)間。

假設(shè)背光變暗，此時(shí)應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行灰度拉伸，以彌補(bǔ)背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/(fgh-fgl)，此時(shí)像素灰度不會(huì)飽和，則背光亮度可由1降低為(fgh-fgl)/255.根據(jù)公式(2)，經(jīng)過(guò)處理后的圖像在背光調(diào)節(jié)前后視覺(jué)效果不變。

2硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用mini2440開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，mini2440是一款低價(jià)實(shí)用的ARM9開(kāi)發(fā)板，處理器為三星S3C2440(ARM920T,最高主頻可達(dá)532MHz)。液晶屏支持黑白、4級(jí)灰度、16級(jí)灰度、256色、4,096色STN液晶顯示，尺寸從3.5~12.1in,屏幕分辨率可以達(dá)到1,024×768像素，實(shí)驗(yàn)采用了3.5in　LED背光TFT液晶屏。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)圖像算法計(jì)算圖像的灰度值，通過(guò)對(duì)顯示圖像的直方圖進(jìn)行裁剪，使之限定在一定范圍內(nèi)，其后進(jìn)行直方圖拉伸，再由計(jì)算公式(fgh-fgl)/255計(jì)算出背光源的顯示亮度，并控制背光源脈寬調(diào)制輸出脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)背光源LED的亮度調(diào)節(jié)。硬件框圖如圖1所示。

2.1 LED背光源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用恒流型LED驅(qū)動(dòng)，輸出電流穩(wěn)定，保證了背光LED的亮度恒定，方便通過(guò)更改相關(guān)的外圍電阻來(lái)確定輸出電流的大小，并具有高靈敏度的開(kāi)關(guān)控制功能，能實(shí)現(xiàn)通過(guò)PWM來(lái)控制LED的亮度。

AMC7140是大功率的LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，寬電壓輸入DC范圍為5~50V,輸出電流最大達(dá)700mA,適合驅(qū)動(dòng)1W、3W、5W的LED燈，TO-252-5L封裝，帶PWMCONTROL端(OE引腳)。如圖2所示是AMC7140的引腳圖，其中引腳1是電源輸入;引腳2是輸出電流的控制端，通過(guò)一個(gè)高精度的電阻Rset接地實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，電流Iset=1.2V/Rset,輸出電流Iout=500×Iset;引腳3接地;引腳4是PWM控制端，高電平有效;引腳5是輸出端。AMC7140的應(yīng)用電路如圖3所示。

2.2基于S3C2440的PWM控制的實(shí)現(xiàn)

S3C2440有5個(gè)16bit定時(shí)器。定時(shí)器0、1、2、3有脈寬調(diào)制功能(PWM);定時(shí)器4是內(nèi)部定時(shí)器，沒(méi)有輸出引腳;定時(shí)器0有死區(qū)發(fā)生器，常用于大電流設(shè)備中;定時(shí)器0、1共用一個(gè)8bit預(yù)脈沖分頻器，定時(shí)器2、3、4共用另外一個(gè)。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)時(shí)鐘分頻器，它可以產(chǎn)生5種分頻信號(hào)(1/2、1/4、1/8、1/16和TCLK)。每個(gè)定時(shí)器模塊從自己的時(shí)鐘分頻器獲取時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘分頻器從相應(yīng)的8bit預(yù)脈沖分頻器中獲取時(shí)鐘。

這個(gè)8bit預(yù)脈沖分頻器是可編程的，并依據(jù)TCFG0和TCFG1寄存器中的值對(duì)PCLK進(jìn)行分頻。定時(shí)器被使能之后，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器(TCNTBn)中的初始值就被加載到遞減計(jì)數(shù)器中，定時(shí)器比較緩沖寄存器(TCMPBn)中的初始值就被加載到比較寄存器中，以便與遞減計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較。這種TCNTBn和TCMPBn的雙緩沖特點(diǎn)使得定時(shí)器在頻率和占空比變化時(shí)輸出的信號(hào)更加穩(wěn)定。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)自己的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的16bit遞減計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器中斷請(qǐng)求，以通知CPU定時(shí)器操作完成，同時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器的值被再次自動(dòng)加載到遞減計(jì)數(shù)器繼續(xù)下次操作。然而，如果在正常模式下清除定時(shí)器TCONn的使能位，TCNTBn的值將不再加載進(jìn)計(jì)數(shù)器，TCNTBn的值常用于PWM。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器的值等于比較寄存器的值，定時(shí)器控制邏輯改變輸出電平，因此，比較寄存器決定了PWM輸出的開(kāi)啟和關(guān)閉。

設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，首先初始化TCNTBn和TCMPBn,在初始化定時(shí)器時(shí)，主要設(shè)定以下幾個(gè)寄存器(以定時(shí)器0為例)：

定時(shí)器輸出時(shí)鐘頻率=PCLK/(prescaler value+1)/(divider value)

TCFG0寄存器設(shè)置：TCFG0=99;//prescaler value="99"

TCFG1寄存器設(shè)置：TCFG1=0x03;//divider value="1/16"

這樣，當(dāng)PCLK=400M時(shí)，定時(shí)器輸出頻率為6.25M.

定時(shí)器初值的設(shè)置包括：

TCNTB0寄存器設(shè)置：TCNTB0=62500;//裝入初值1s中斷一次

TCMPB0寄存器設(shè)置：TCMPB0=rTCNTB0》1;//50%

接著就可以啟動(dòng)定時(shí)器，第一次必須手動(dòng)裝載：TCON=1《1;

裝載后，改為自動(dòng)裝載，并啟動(dòng)定時(shí)器：TCON=0x09.

2.3基于S3C2440的圖像算法設(shè)計(jì)

S3C2440芯片內(nèi)部集成了LCD控制器，用來(lái)向LCD傳輸圖像數(shù)據(jù)，并提供必要的控制信號(hào)，比如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等，可以支持STNLCD和TFTLCD.mini2440采用3.5in(分辨率為240×320像素)的TFT液晶顯示屏，配置為常用的16BPP(5:6:5)模式。要顯示圖像，只要向LCD_BUFFER寫入像素?cái)?shù)據(jù)(R(5)：G(6)：B(5))，LCD控制器就會(huì)自動(dòng)通過(guò)DMA讀取數(shù)據(jù)送往TFTLCD顯示。

圖像算法是基于圖像直方圖進(jìn)行數(shù)據(jù)變換的，所以，首先應(yīng)編寫子程序并先計(jì)算形成顯示圖像的灰度直方圖，算法如下所示(其中bmp為原始的灰度圖像，bmp_2為灰度值數(shù)組)：

for(y=0;y<320;y++)

{for(x=0;x<240;x++)

{bmp_2[bmp[p]]++;

p=p+1;

}

}

假設(shè)取5%的失真度，那么需要變換的像素點(diǎn)數(shù)量為240×320×5%=3,840點(diǎn)，然后根據(jù)上述算法原理采用逐點(diǎn)計(jì)算的方法使fgl從灰度0開(kāi)始分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的(fgh-fgl)，最后比較求出min(fgh-fgl)。

下一步對(duì)直方圖進(jìn)行線性搬移，使灰度整體向暗區(qū)域移動(dòng)fgl,這樣圖像灰度區(qū)域由[0,255]區(qū)間內(nèi)的原分布，被壓縮在[0,fgh-fgl]區(qū)間。接下來(lái)應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行灰度拉伸，以彌補(bǔ)背光導(dǎo)致的亮度損失。若采取線性拉伸方法，顯然拉伸的最大倍數(shù)為255/(fgh-fgl)。算法如下所示(其中bmp為原始的灰度圖像，bmp_new為更新圖像，min=min(fgh-fgl))：

for(y=0;y<320;y++)

{for(x=0;x<240;x++)

{if(bmp[p]>=fgl)

bmp_new[p]=(bmp[p]-fgl)*255/min;

else

bmp_new[p]=0;

p++;

}

}

此時(shí)像素灰度不會(huì)飽和，則背光亮度可由1降低為(fgh-fgl)/255,由LED驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)相應(yīng)亮度的控制。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示為測(cè)試圖像，圖4(a)為原始圖像，圖4(b)、(c)、(d)為采用直方圖裁剪與拉伸算法的試驗(yàn)結(jié)果圖。

測(cè)試圖4(b)的失真度為5%,節(jié)能比例為35%;測(cè)試圖4(c)的失真度為10%,節(jié)能比例為55%;測(cè)試圖4(d)的失真度為20%,節(jié)能比例為67%.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在一定的失真度下，顯然直方圖裁剪的灰度范圍越小，背光亮度可降低的幅度越大。原始測(cè)試圖像與經(jīng)過(guò)直方圖裁剪和拉伸的圖像相比，在失真度5%的約束下，由于圖像進(jìn)行了直方圖搬移，整體亮度有所變化，總的來(lái)說(shuō)圖像質(zhì)量沒(méi)有明顯損失。

雖然LED在生活中處處可見(jiàn)，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。本文提出了基于視覺(jué)特性的液晶顯示器背光源節(jié)電調(diào)光方法，建立了直方圖裁剪和拉伸的處理框架，并在此基礎(chǔ)上利用ARM平臺(tái)加以驗(yàn)證，證明本文的方法在失真度為5%的情況下可實(shí)現(xiàn)約35%的背光節(jié)電效果，且圖像質(zhì)量沒(méi)有明顯損失。