基于7110的彩電白平衡自動(dòng)調整系統的設計與實(shí)現
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關(guān)鍵詞：白平衡 I2C總線(xiàn) 彩色電視機 7110 CRT 色彩分析儀
白平衡是彩色電視機質(zhì)量的一個(gè)秉指標，而白平衡調整是彩電生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序之一，它關(guān)系到彩電的色極是否真實(shí)重現所要顯示對象的原色彩。每臺彩電出廠(chǎng)前都要用白平衡調整儀將其白平衡調整至規定的出廠(chǎng)標準。采用致茂公司生產(chǎn)的7110 CRT色彩分析儀集成的白平衡自動(dòng)調整系統，在PC機的控制下，通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，具有調整質(zhì)量高、調整速度快等特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足彩電批量生產(chǎn)的需要。
圖1
1 白平衡原理分析
白平衡調整，其目的是當彩色電視機在接收黑白圖像信號或彩色圖像中的黑白部分時(shí)，盡管屏幕上三基色熒光粉都在發(fā)光，但在適當的距離外觀(guān)看時(shí)，在任何對比度下能呈現黑白圖像，而不顯示出任何其它色彩。這不僅是黑白兼容的要求，而且也是獲得正確的彩色圖像的先決條件。但實(shí)際上，三基色熒光粉的發(fā)光效率是不相同的，而且，三個(gè)電子束的控制特性的截止點(diǎn)和斜率也是不安全相同的。所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須進(jìn)行白平衡調整。
白平衡調整通常分兩個(gè)步驟，即暗平衡調整和亮平衡調整。為了說(shuō)明調整原理，先對三基色原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
1．1 三基色原理
三基色原理是彩色電視的最基本原理之一。利用這一原理，基本上可以模擬出自然界的各種彩色。例如：
紅色（R）+綠色（G）=黃色（Y）
紅色（R）+藍色（B）=紫色（M）
綠色（G）+藍色（B）=青色（C）
當紅、綠、藍三色同時(shí)混合時(shí)，一般得到較淡的顏色，如淡青、淡紫、淡黃及淡綠等。當三者比值合適時(shí)，又可以獲得白色，即為：
紅（R）+綠（G）+藍（B）=白色（W）
當R、G、B三色混合比例保持不變，而只是自各的亮度按同一比例增加或減少時(shí)，所混合成的顏色不變，但合成色的亮度也按同一比例增加或減少。把利用這三基色相混合得到全部彩色的原理稱(chēng)為三基色原理。
1．2 暗平衡調整
由于制造工藝的不同，即使各電子槍所加電壓一樣，三條電子束的控制特性也不可能完全一樣。圖1（a）給出了白平衡調整前三條電子束的調制特性曲線(xiàn)，這里假設三個(gè)電子槍所加電壓完全 相同。從中可以看出三電子束控制特性的截止點(diǎn)和斜率均不一樣，從t1到t2期間，因為只有紅電子束流，故在顯像管屏幕上只發(fā)出很暗的紅光；從t1到t2期間，由于紅、藍兩電子束都已有電流，故顯像管發(fā)出暗紫色；從t3開(kāi)始，由于三基色都存在，故發(fā)出的光接近白色?？梢?jiàn)，在低亮度區域中由于起始柵偏壓不一致不能正確顯示出暗灰色，而是被淡淡地染上一層彩色。
為了校正這種效應，就必須設法使三電子束的起始柵偏壓一致。常用的辦法是調整顯像管三個(gè)控制極的靜態(tài)偏置電壓（單槍三束管）或三個(gè)加速極電壓（三槍三束管）使三條電子束相對應的陰柵極控制性曲線(xiàn)Ib/Vg具有相同的截止點(diǎn)，如圖1（b）所示。這樣，就能滿(mǎn)足三個(gè)電子槍在t1時(shí)刻同時(shí)導通，消除了暗區出現彩色的可能性而獲得白平衡。
1．3 亮平衡調整
通過(guò)暗平衡調整，實(shí)現了低亮度時(shí)的白平衡，但由于斜率不同和熒光粉發(fā)光特性不同，所以在高亮場(chǎng)時(shí)仍不為純白色而帶有彩色。因此，還必須調整三個(gè)電子束陰極的激勵信號電平，以使高亮度時(shí)得到白平衡。如果以R信號幅度為基準，則調整G、B信號幅度，補償調制特性曲線(xiàn)斜率的不同和熒光粉的發(fā)光效率的差異引起的失真。白平衡調整后，特性曲線(xiàn)的斜率應該一致。如圖1（c）所示。
2 系統組成
2．1 系統組成框圖
由7110 CRT色彩分析儀集成的I2C總線(xiàn)白平衡自動(dòng)調整系統由工控機、7110色彩分析卡、視頻信號卡、射頻調制器、測色鏡頭、彩色電視機、I2C總線(xiàn)以及自動(dòng)調整軟件等組成。整個(gè)系統的結構如圖2所示。
2．2 硬件功能簡(jiǎn)介
2．2．1 7110色彩分析儀
Chroma Model 7110 CRT色彩分析儀是一種以PC based為設計出發(fā)點(diǎn)，測量彩色電視及CRT監視器色彩成分因子及白平衡的多功能儀器。它可以提供CRT及監視器在生產(chǎn)過(guò)程中的高度及色彩測量控制作業(yè)，如亮度、色純度、白平衡等各種測試項目，并以板卡的形式與PC 16bit AT-ISA bus兼容，連接自身所帶的測色鏡頭，在使用者、PC機與電視機之間，構成一個(gè)完善的視訊顯示測試系統。
該儀器同時(shí)擁有xyY、TΔuvY、u’v’Y、RGB四種不同的可切換的色度坐標系統（本自動(dòng)測試系統采用RGB模式），可適用于各種不同場(chǎng)的測試需求。在實(shí)際的白平衡測試過(guò)程中，使用者可搭配視頻信號卡（白場(chǎng)信號發(fā)生器），結合自動(dòng)測試軟件，整合成一套由PC機控制的自動(dòng)白平衡調整系統，進(jìn)行TV生產(chǎn)測試和QC等應用。
2．2．2 視頻信號卡和射頻調制器
視頻信號卡與PC 16-bit AT-ISA bus兼容，能產(chǎn)生調整所需的高、低亮度白場(chǎng)視頻信號。在調整過(guò)程中，由于R、G、B數據的不斷變化，白場(chǎng)信號的亮度也隨之變化。在PC機調整軟件的控制下，視頻信號卡產(chǎn)生白場(chǎng)信號的亮度會(huì )自動(dòng)調整到標準值。該視頻信號經(jīng)射頻調制器調制成射頻信號，通過(guò)AV端子向彩電提供需要測量的白場(chǎng)信號，并由CRT顯像管顯示出來(lái)，供測試之需。
2．2．3 I2C總線(xiàn)簡(jiǎn)介
I2C總線(xiàn)是Philips公司推出的一種串行總線(xiàn)。其特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，只用兩根信號線(xiàn)即可實(shí)現尋址、數據雙向傳送及各種控制功能。這兩根信號線(xiàn)一根是數據線(xiàn)（SDA），一根是時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。所有帶有I2C總線(xiàn)接口的器件，均可直接掛到這兩根線(xiàn)上，實(shí)現器件間的數據雙向傳輸。
通過(guò)I2C總線(xiàn)，數據寫(xiě)入IC器件的時(shí)序如圖3所示。
在白平衡調整時(shí)，首先通過(guò)I2C總線(xiàn)輸入電視機IC器件地址，共7個(gè)字節；接著(zhù)一個(gè)字節表示此操作是讀操作還是寫(xiě)操作（圖3表示寫(xiě)操作）；8個(gè)字節傳輸后，IC器件收到信息后反饋一個(gè)ACK應答信號。ACK之后輸入副地址，同樣在正確接收信息后返回一個(gè)ACK應答信號；最后輸入一個(gè)字節的數據，結束寫(xiě)入數據操作。同理，數據讀出時(shí)，只需將指令由寫(xiě)操作改為讀操作即可。數據讀出的時(shí)序如圖4所示。
2．2．4 工控機
工控機（586CPU）是整個(gè)系統的心臟，利用自主研發(fā)的自動(dòng)調整軟件，控制視頻信號產(chǎn)生的白場(chǎng)信號高、低亮度的變化，并讀取7110色彩分析儀測得的R、G、B值，通過(guò)一定算法修改電視機IC器件的顏色參數控制寄存器和E2PROM中的顏色參數存儲單元內容，從而控制整個(gè)白平衡調整系統自動(dòng)有序地工作。
2．3 軟件設計
白平衡調整中的光學(xué)數據采集、數據處理、算法實(shí)現、I2C總線(xiàn)的數據傳輸控制、白平衡調整的自動(dòng)循環(huán)等，均通過(guò)586工控機執行調整軟件來(lái)進(jìn)行運算和控制。本自動(dòng)調整軟件采用Borland C++語(yǔ)言編寫(xiě)，程序具有Windows風(fēng)格，操作非常簡(jiǎn)單。操作界面包括儀器的校零、器件地址、E2PROM地址、基準槍、初始值的設定等功能，能方便地切換到其他機型，有效地避免換一種機型換一個(gè)軟件的時(shí)間 和人力資源的浪費。
下面以某機芯為例來(lái)說(shuō)明軟件的實(shí)現流程：該機芯片以紅槍?zhuān)≧）為基準槍?zhuān)诩t槍數據（R）不變的情況下，調整G和B兩槍的控制參數，使彩色電視機達到白平衡。在進(jìn)行白平衡調整時(shí)，程序首先讀取E2PROM顏色參數存儲單元的預置值，接著(zhù)讀取7110色彩分析儀通過(guò)測色鏡頭測得的高、低亮度值和R、G、B值。如果亮度值與亮度標準值不一致，則先根據誤差的大小和正負改變亮度控制值的大小并調整方向，將調整后的高、低亮度控制值寫(xiě)入視頻信號卡，控制高、低亮度達到亮度標準值；如果測得的R、G、B值與R、G、B標準值不一致，則根據誤差的大小和正負修正上一次得到的ECUTOFF、GCUTOFF、BCUTOFF、GDRIVE、BDRIVE的值，然后把R、G、B的調整值寫(xiě)入IC的顏色參數控制寄存器。這樣重復循環(huán)即可完成白平衡自動(dòng)調整，最后一次的調整數據寫(xiě)入E2PROM。程序的簡(jiǎn)化流程框圖如圖5所示。
3 7110實(shí)現白平衡自動(dòng)調整的過(guò)程
在進(jìn)行白平衡調整時(shí)，由于使用IC器件的不同，有兩種進(jìn)入調整狀態(tài)的方式：按遙控器“BUS OFF”鍵，或由PC機控制由I2C總線(xiàn)插頭的另一根BUS線(xiàn)向被調整電視機提供低電平觸發(fā)信號。對于使用遙控器進(jìn)入工廠(chǎng)調整模式的被調電視機，在寫(xiě)入E2PROM后即退出工廠(chǎng)調整模式，而對于用低電平觸發(fā)方式進(jìn)入工廠(chǎng)調整模式的電視機，則要求白平衡調整完畢后將此信號恢復為高電平，使電視機的MCU恢復其對E2PROM的控制。下面仍以紅槍為基準，通過(guò)其余兩槍的調整來(lái)說(shuō)明自動(dòng)調整的整個(gè)個(gè)過(guò)程。
在調整準備工作完成后，操作者連接射頻信號線(xiàn)到電視AV端子，加上白場(chǎng)信號；啟動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)，推進(jìn)測色鏡頭充分接觸彩電屏幕；把I2C總線(xiàn)的5芯插頭插入機芯板上的I2C插座。此后的工作由程序自動(dòng)完成：由PC控制拉低BUS控制線(xiàn)，奪取對I2C總線(xiàn)的控制權，從而使彩電進(jìn)入工廠(chǎng)調整模式，電視屏幕上有“BUS OFF”提示；程序讀取E2PROM中的顏色參數存儲單元初始數據，收到ACK信號后，表示總線(xiàn)插頭和插座已經(jīng)導通，可以進(jìn)行數據讀寫(xiě)工作；然后計算機從7110色彩分析儀中取得低亮及高亮的R、G、B值，使其與R、G、B標準值進(jìn)行比較，若小于標準值則按照一定的步長(cháng)增加，將調整后的R、G、B值對應的高、低亮調整數據通過(guò)數據總線(xiàn)（SDA）寫(xiě)入IC器件的顏色參數控制寄存器，反之則將比原值小的高、低亮調整數據寫(xiě)入IC器件寄存器，此時(shí)電視機屏幕顏色中的R、G、B值隨之改變，再由測色鏡頭將其R、G、B值傳送回計算機進(jìn)行比較，同時(shí)程序調整高、低亮度至亮度標準值，這樣反復循環(huán)直至與標準之差在允許范圍內即為合格。然后將最后一次得到的R、G、B值寫(xiě)入E2PROM。最后，程序控制拉高BUS控制線(xiàn)，釋放I2C總線(xiàn)，電視屏幕下顯示“BUS OPEN”。此后，操作者拔掉總線(xiàn)插頭，再次啟動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)，測色鏡頭撤離電視屏幕，白平衡調整完成。整個(gè)調整過(guò)程除輔助工作由操作者執行外，其余均由PC機控制自動(dòng)完成，所花時(shí)間一般在10s以?xún)?，因而效率較高。
本白平衡自動(dòng)調整系統，具有調整速度快、調整精度高等特點(diǎn)。經(jīng)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際使用反，反映效果良好。調整一臺彩電的白平衡需要7～10s，加上操作人員輔助時(shí)間，通過(guò)一臺彩電共需要20s左右。它不僅大大降低了調試人員的勞動(dòng)強度，而且充分保證了彩電白平衡調整的準確度和一致性，使彩電生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到明顯提高。
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