具有實(shí)時(shí)振動(dòng)補償的顯示模塊的設計

引言

　　我們跑步或騎自行車(chē)時(shí)，手臂的振動(dòng)常常使我們手中的電子設備所顯示的圖像看起來(lái)模糊不清，長(cháng)時(shí)間觀(guān)看（如觀(guān)看MP4視頻、收發(fā)短信等）容易造成視覺(jué)疲勞。汽車(chē)輪船的顯示設備（如車(chē)載GPS），強振動(dòng)機床的數控系統以及一些工程機械（如挖掘機、推土機等）也會(huì )發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題?？梢?jiàn)，由于振動(dòng)而導致顯示效果模糊不清的現象是普遍存在的。

　　究其原因，在于這些顯示設備輸出的均為靜態(tài)圖像，基礎的振動(dòng)使其成為（相對于人）振動(dòng)圖像，由于人神經(jīng)系統的滯后（人的正常反應時(shí)間大約需要0.3s），造成大腦所接收到的是模糊不清的畫(huà)面。當然對于人的神經(jīng)系統我們暫時(shí)束手無(wú)策，但是我們可以首先檢測出基礎的振動(dòng)狀態(tài)，由微控制器控制顯示器件的輸出圖像朝反方向偏移（如此，實(shí)時(shí)的偏移即是動(dòng)態(tài)顯示），綜合的顯示效果自然是（相對于人）靜止不動(dòng)的圖像，上面的問(wèn)題就迎刃而解了。

問(wèn)題的描述

　　問(wèn)題的產(chǎn)生

　　正常情況下顯示器件相對觀(guān)察者是靜止的，但很多情況下顯示器件會(huì )發(fā)生振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì )使顯示器件所顯示的圖像看起來(lái)模糊不清，長(cháng)時(shí)間觀(guān)看容易造成視覺(jué)疲勞。如圖1所示，基礎振動(dòng)在⊿t時(shí)間內，產(chǎn)生（⊿x，⊿y）的絕對位移（這里假定人靜止不動(dòng)），由于顯示器件所顯示的圖像是靜態(tài)的或者是與基礎振動(dòng)無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)圖像流，那么圖像也會(huì )在這⊿t時(shí)間內產(chǎn)生（⊿x，⊿y）的絕對位移。人的視覺(jué)系統的反應速度（人的正常反應時(shí)間大約需要0.3s）低于基礎振動(dòng)的速度，幾幅相互間有偏移的圖像就會(huì )重疊在一起如圖1所示，造成圖像看起來(lái)模糊不清。

　　問(wèn)題的解決方法

　　最容易也是最簡(jiǎn)單的解決辦法就是測量出在⊿t時(shí)間內產(chǎn)生的（⊿x，⊿y）絕對位移值，然后控制顯示器件使輸出圖像產(chǎn)生相反方向的偏移量（-⊿x，-⊿y）。這樣綜合的效果是圖像相對觀(guān)察者是靜止的，圖像又變得清晰了！

　　要實(shí)現這種對振動(dòng)圖像的補償會(huì )遇到幾個(gè)挑戰。首先，是基礎振動(dòng)的絕對位移值的測量，我們先來(lái)分析基礎振動(dòng)的特點(diǎn)：

　　·振動(dòng)頻率低（3Hz~30Hz）；

　　·振幅較?。?mm~3mm），據此我們可以計算基礎振動(dòng)的最大加速度(amax=4π2f2?A=10.87g)；

　　·對顯示效果影響最大的是顯示器件平面內的平面運動(dòng)；

　　·振動(dòng)多發(fā)生在便攜設備上。

　　針對這種振動(dòng)最簡(jiǎn)單的測量方法是實(shí)時(shí)測得振動(dòng)的加速度a，然后對其作時(shí)間的二次積分得到基礎振動(dòng)的絕對位移值，這種方法不適合做長(cháng)時(shí)間的測量，因為積分的起始點(diǎn)選擇可靠性和加速度的噪聲會(huì )使長(cháng)時(shí)間的積分運算后誤差放大?，F在問(wèn)題歸納為對一個(gè)加速度a＜10.87的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并對加速度a作二次積分計算位移值。其次，是如何實(shí)時(shí)輸出具有相反方向偏移量的動(dòng)態(tài)圖像。這涉及到兩個(gè)速度：處理器的運算速度和顯示器件的響應速度。因為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的顯示需要很大的計算量（處理每秒鐘40幀的128×64的單色圖像就需要每秒40 kBytes的處理量，這對MCU是個(gè)較大的挑戰）；普通的LCD屏幕也要有較長(cháng)的響應延時(shí)，刷新一幅128×64的單色圖像就需要1024×72μs=73.7ms（ST7920），這簡(jiǎn)直無(wú)法實(shí)現圖像的動(dòng)態(tài)顯示。還有一個(gè)問(wèn)題是顯示模塊與信源的通訊，模塊化設計要有方便的數據接口以適應不同的要求，還要考慮到顯示模塊長(cháng)期的振動(dòng)會(huì )使通訊電纜造成疲勞損壞。

設計概述

　　基礎振動(dòng)的絕對位移值的測量

　　上文提到，基礎振動(dòng)的絕對位移值的測量可歸納為對一個(gè)加速度 a＜10.87的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并對加速度a作二次積分計算位移值。本系統中加速度傳感器采用低量程三軸向加速度傳感器MMA7260QT，最大量程為±6g，響應頻寬為fXY=350Hz、fZ=150Hz，MMA7260QT的敏感方向如圖3所示，XY軸輸出電壓與芯片平面內的加速度成比例。

　　因為所要測量的加速度值和重力加速度值在一個(gè)量級，所以要考慮重力加速度的影響。讓傳感器平面平行于顯示器件平面（如圖4中的ABC平面為顯示器平面，平面為水平面），初始位置時(shí)傳感器各軸所測得的加速度分量aX0、aY0、aZ0反映了顯示器相對水平面的傾角（圖4中的θ1、θ2）。如果顯示器只在當前平面內做平動(dòng)，aX0、aY0、aZ0就是X、Y、Z的加速度的常值分量；如果顯示器還在當前平面內有轉動(dòng)，只有aZ0是Z軸加速度的常值分量，aX0、aY0是隨轉角θ1、θ2而變的變量；如果顯示器Z軸與鉛垂線(xiàn)夾角還有變化，aZ0也是隨轉角θ1而變的變量。第一種情形的處理比較簡(jiǎn)單，直接將aX0、aY0、aZ0作為初始位置靜止的初值，是積分不變量，進(jìn)行二次積分即可得到位置；第二、三種情形處理較為復雜，要將aX0、aY0、aZ0作為初始位置運動(dòng)的初值，也看作積分不變量，但是進(jìn)行二次積分時(shí)要知道初始位置的運動(dòng)參數，這要選擇振動(dòng)加速度的極值點(diǎn)（此時(shí)速度為零）作為運動(dòng)的起始點(diǎn)開(kāi)始積分，當然這種算法會(huì )稍微復雜。

　　還要考慮加速度的噪聲會(huì )因為積分而被放大，使積分結果不準。加速度噪聲的來(lái)源有：傳感器本身的噪聲、周邊電路的電磁串擾、電源的波動(dòng)、負載的波動(dòng)（OLED的功耗與被點(diǎn)亮的點(diǎn)數成比例）。MMA7260QT傳感器內部集成信號電路輸出紋波較?。╪RMS=4.7mVrms），為了濾去由于電磁干擾等引起的高頻噪聲，給系統加一個(gè)通頻帶在50Hz內的RC低通濾波器。由于模擬濾波器難以調整，系統的軟件還加入了簡(jiǎn)單而且快速的數字慣性濾波器，能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機干擾信號。

　　實(shí)時(shí)輸出具有相反方向偏移量的動(dòng)態(tài)圖像

　　上文已述及處理器的運算速度和顯示器件的響應速度是兩個(gè)關(guān)鍵。本系統顯示器件選擇OLED器件即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）該顯示器件具有輕薄、易攜、全彩、高亮度、省電、視角寬廣及高應答速度等優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)人機互動(dòng)的接口開(kāi)啟了新的紀元，如今采用OLED作為顯示器件的電子產(chǎn)品幾乎已經(jīng)普及。

　　本系統所采用的OLED顯示材料的響應時(shí)間在μs量級，OLED器件的驅動(dòng)芯片SSD1303的并行總線(xiàn)寫(xiě)入時(shí)間僅為300ns，因此總的響應時(shí)間（包括驅動(dòng)芯片的延遲和OLED材料的延遲）仍然是μs，只要MCU速度足夠快，是完全能實(shí)現圖像的動(dòng)態(tài)顯示的。另外SSD1303支持垂直偏移指令和水平滾動(dòng)指令，因此只需將GDDRAM一次寫(xiě)滿(mǎn)，圖像需要平動(dòng)時(shí)僅需要寫(xiě)一條偏移或滾動(dòng)指令，而不是刷新整個(gè)GDDRAM。

　　本系統所采用的微控制器MC9S08QG8工作頻率高達20MHz，有8kBytes的FLASH存儲器，512Bytes的RAM。如果處理器僅用來(lái)完成圖像數據的變換和GDDRAM的刷新是沒(méi)有問(wèn)題的，但是處理器還要進(jìn)行數字濾波等處理，難以完成所有的工作，因此系統采用偏移或滾動(dòng)指令來(lái)實(shí)現平動(dòng)。