基于LX1970的LCD可視化智能調節單元設計

摘要：隨著(zhù)科技的進(jìn)步.LCD越來(lái)越多地用于戶(hù)外顯示器、軍事裝備和模擬訓練器的顯示界面，但是LCD本身并不能發(fā)光，為了達到顯示器在各種光照環(huán)境下數據信息的清晰顯示目標，利用一種能實(shí)現人眼仿真的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器LX1970，實(shí)現了對訓練器材LCD顯示器的智能調節，保證了顯示器能適時(shí)清晰地顯示數據信息，從而延長(cháng)LCD的使用壽命。

引言

隨著(zhù)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(hù)外顯示、武器裝備和模擬訓練器材的顯示界面。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(xiàn)，因此背光的亮度決定了它的亮度。如果顯示器的亮度和周?chē)h(huán)境的亮度反差過(guò)大或過(guò)小，都容易造成視覺(jué)疲勞，影響訓練和作戰能力的發(fā)揮。目前，普遍做法是在顯示器周?chē)友b防護罩，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。因此，為了適應全天候、不同地理環(huán)境情況下作戰訓練，就必須適時(shí)調整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據信息。

顯示界面可視化智能調節主要是根據顯示器界面周?chē)沫h(huán)境照度對顯示器的亮度和對比度進(jìn)行適時(shí)自動(dòng)調節，以適應環(huán)境亮度的變化，使數據信息清晰顯示，滿(mǎn)足訓練和作戰需要。亮度調節是指對顯示器的亮度進(jìn)行調節，保證在亮度較強的環(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(cháng)時(shí)間觀(guān)看。對比度調節是指調節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。如果對比度小于250：1，在看屏幕時(shí)就會(huì )產(chǎn)生模糊感。但是高對比度和高亮度的顯示器由于太亮，容易令眼睛疲勞，甚至會(huì )產(chǎn)生眩光，所以須將亮度和對比度調節至適當的水平。

1 亮度傳感器的選擇

為了實(shí)現對顯示界面周?chē)h(huán)境亮度的檢測，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戰場(chǎng)環(huán)境的需要，實(shí)現對不同環(huán)境亮度的檢測，并以適當的方式輸出?；谏鲜鲆蛩?，系統選擇了LX1970作為顯示器的感光元件。

LX1970是一種能實(shí)現人眼仿真的集成化可見(jiàn)光亮度傳感器，其相對靈敏度與波長(cháng)的響應曲線(xiàn)如圖1中粗線(xiàn)所示，細線(xiàn)是人眼的響應曲線(xiàn)(峰值波長(cháng)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?chē)h(huán)境亮度的明暗程度進(jìn)行感測，并將接收到的可見(jiàn)光轉換成電流信號，進(jìn)而對背光源的亮度和顯示器的對比度進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現顯示器可視化的自動(dòng)調節。

芯片正面有一個(gè)面積為0.369 mm2的受光區。UDD和USS分e接電源的正、負極。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(chēng)灌電流。這兩種電流信號通過(guò)R1、R2可分別轉換成電壓信號USNK、USRC。改變R1(或R2)的電阻值可調整電壓增益，電阻值允許范圍是10～50kΩ。C1和C2為濾波電容，可用來(lái)決定傳感器的響應時(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，二者呈互補輸出特性。其輸出特性曲線(xiàn)如圖2所示，可任選一路信號作為輸出電壓U0。當顯示器周?chē)h(huán)境照度小于325 lx時(shí)，背光控制系統采用引腳4，使背光亮度隨顯示器周?chē)h(huán)境照度的增大而不斷減小;當顯示器周?chē)h(huán)境照度在325～540lx時(shí)，背光熄滅;當系統顯示器周?chē)h(huán)境照度大于540 lx時(shí)，背光控制系統采用引腳5，使背光亮度隨顯示器周?chē)h(huán)境照度的增大而不斷增大。

2 可視化調節的基本原理

在進(jìn)行訓練作戰時(shí)，操作手的眼睛與目標顯示屏的距離約為30 cm，顯示器周?chē)h(huán)境的照度值主要是自然光在顯示器周?chē)恼斩戎?。?顯示了在陽(yáng)光直射、晴天戶(hù)外(無(wú)陽(yáng)光直射)、陰天戶(hù)外、晴朗夏天室內、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(huì )更強烈一些。

人眼主觀(guān)亮度感覺(jué)S與光源亮度值B的對數成比例，計算公式如下：

S=K·lgB+K0 (1)

式中：K0、K為與周?chē)h(huán)境亮度有關(guān)的常數。

實(shí)驗表明，在不同的亮度值下，人眼能覺(jué)察的最小光源亮度變化△BMIN并非定值，即人眼的亮度變化感覺(jué)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(jué)的最小相對亮度變化△BMIN/B稱(chēng)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的比值穩定，也就是對比度一定，就能夠給人真實(shí)感。

實(shí)際觀(guān)察的時(shí)候，人眼的對比靈敏度會(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(guò)檢測顯示器周?chē)h(huán)境照度值，選擇控制引腳，輸出或吸入相應的電流，控制背光電流和對比度調節電流，自動(dòng)調整背光亮度和對比度，使目標信息的顯示達到最佳效果。

調節控制曲線(xiàn)如圖3所示，實(shí)線(xiàn)是背光調節曲線(xiàn)，虛線(xiàn)是對比度調節曲線(xiàn)。背光調節過(guò)程是：當顯示界面周?chē)h(huán)境亮度值小于10lx時(shí)，屬于黑暗區，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容，同時(shí)不會(huì )產(chǎn)生眩光。當顯示界面周?chē)h(huán)境亮度在10～100lx時(shí)，隨著(zhù)顯示界面周?chē)h(huán)境亮度的增大，到達弱光區域，背光亮度逐漸增大，當環(huán)境照度值達到100 lx時(shí)，環(huán)境照度加上顯示器背光亮度能夠滿(mǎn)足操作手需要;當顯示界面周?chē)h(huán)境亮度的繼續增大時(shí)，在滿(mǎn)足需要的情況下，為了降低功耗，減弱了背光亮度;當環(huán)境照度值在325～540 lx時(shí)，屬于正常區域，不需要開(kāi)背光電路;當環(huán)境照度值在540lx以上時(shí)，背光亮度應該隨著(zhù)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。對比度調節過(guò)程是：當環(huán)境照度小于540lx時(shí)，控制顯示器的對比度在一個(gè)恒定值;當環(huán)境照度大于540lx時(shí)，調節顯示器的對比度，使其隨著(zhù)環(huán)境照度的增大而增大。

3 可視化調節的技術(shù)實(shí)現

光亮傳感器LX1970將接收可見(jiàn)光并轉換成電流信號，SNK端、SRC端電流大小反映了亮度的高低。當環(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。

基本結構是在顯示器的表面挖一個(gè)小圓形采光孔，將LX1970設置在顯示器孔內測量環(huán)境照度值，可視化調節的硬件實(shí)現電路如圖4所示，其由單片機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)現對顯示器背光亮度的自動(dòng)調節。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，系統在上電開(kāi)始工作后，首先進(jìn)行系統初始化，LX1970感測顯示器界面周?chē)h(huán)境照度值，輸出相應的電流值送至控制單片機進(jìn)行判別。若檢測到的環(huán)境照度值S>540lx，則計算出需要調整值后，控制單片機啟動(dòng)引腳5進(jìn)行背光控制和對比度調節;否則顯示器的對比度維持在一個(gè)恒定值;若檢測到的環(huán)境照度值S325 lx，計算出需要調整值后，控制單片機啟動(dòng)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。調整完成后，LX1970繼續采集環(huán)境照度值進(jìn)行下一輪的感測調節，通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現適時(shí)調節。

結語(yǔ)

本文在利用LX1970作為感光元件的基礎上，借助微控制技術(shù)，提出了一套完整的武器裝備和模擬訓練器顯示界面的可視化智能調節方案。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，該方案能夠滿(mǎn)足LCD不同環(huán)境下的可視化需求，無(wú)論是軍用還是民用，都具有很高的應用價(jià)值。