基于FPGA的液晶顯示屏測試用標準白場裝置

趙 磊，王學亮，鞏 巖

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室，吉林 長春130033）

1 引 言

近年來液晶顯示屏（LCD）已逐漸成為計算機顯示終端和家用平板電視的主流。液晶顯示屏在生產環節中通常需要采用標準白場進行白平衡調整，以保證顏色復現的準確性與一致性。所謂白平衡調整，是指當輸入不同等級的灰度信號時，復現的白場只有亮度的變化，色品坐標值與輸入白場信號的色品坐標值保持一致。如果白平衡未調整或者調整不好，即復現的白場色品坐標值與輸入白場信號的色品坐標值不一致，在彩色圖像復現時出現較大的顏色失真，會引起所復現圖像的不真實感。

液晶顯示屏在進行白平衡調整時需要輸入標準白場信號，以完成液晶顯示器的圖像測試色品坐標的調整標定。標準白場作為調整的基準，其準確性直接影響著被標定液晶顯示屏的顯示精度。因此研制能夠生成標準白場的裝置具有重要的意義。

基于此，本文研制了一種基于FPGA 的液晶顯示屏測試用標準白場裝置。該標準白場裝置具有不依賴于標準光源、色溫可調的功能，經標準定標后可為液晶顯示屏生產商提供標準白場。本文旨在介紹該標準白場裝置的工作原理、軟硬件系統設計以及實驗測試結果。

2 標準白場裝置的工作原理

物體顏色會隨著投射光線顏色而發生改變，不同光線照射相同的物體時，呈現的顏色相差很大。為了比較區分不同光源的特性，國際照明委員會（CIE）規定了標準光源，并用基本參量色溫表示［1］。不同色溫下，目標物的色彩會發生變化，其中白色物體的變化最為顯著。為了盡可能減少外界光線對目標顏色的影響，使不同色溫條件下都能還原被攝目標本來的色彩，需要進行色彩校正，同時由于白光中RGB 分量強度相同，校正了白光也就可以校正其他顏色的光，因此調整白平衡的本質就是調整色溫值［2］。

白平衡調整的基礎是三基色原理，根據原理任一種顏色都可以用紅、綠、藍三原色的量，即三刺激值X、Y、Z 來表示，如公式（1）所示。

其中：Pe為發光體的相對光譜功率分布，k 為常數，x（λ）、y（λ）、z（λ）為1931CIE－XYZ 標 準 色 度觀察者光譜三刺激值函數［3］。

刺激值Y 表示顏色的亮度，根據得到的三刺激值X、Y、Z，由公式（2）可求出該顏色在CIE 色度坐標系統中的色品坐標（x，y）值［3］。

基于以上原理，本文研制了基于FPGA 的液晶顯示屏測試用標準白場裝置。該裝置工作過程可分為標準定標模式和用戶輸出模式。在標準定標模式下，采用標準儀器對研制的標準白場裝置色溫值進行檢測，并調整圖像的紅、綠、藍分量，使其與標準值一致，然后將定標后的RGB分量存儲于存儲器中，從而完成標準白場裝置的標準定標。用戶輸出模式時，讀取內部存儲的多組色溫白場的RGB分量值并驅動液晶顯示器輸出白場圖像，為計算機顯示終端和家用平板電視等液晶顯示屏的現場標定提供基準。

3 標準白場裝置的硬件系統

標準白場裝置的硬件系統如圖1所示，主要包括FPGA 主控模塊、顯示器模塊、人機接口模塊、探頭和亮度采集模塊、電源模塊等。

FPGA 主控模塊用以實現對所有的外圍設備的操作和邏輯控制。FPGA 控制器采用Xilinx公司的Spartan－3系列XC3S400，它將邏輯、存儲器及I／O 管理結合在一起，且片內集成了288 kbit Block RAM 和數字時鐘管理（DCM），其資源滿足 設 計 需 要［4］。DAC 采 用Anolog Devices公司的高速視頻數模轉換芯片ADV7125，以1.225V 作為參考電壓，Rset引腳與參考地之間接514Ω 電阻，使色彩的最高飽和度對應輸出電流值為19.04mA，負載端產生0.714V 電壓，符合PAL視頻標準［5］。Flash ROM 采用Macronix公司MX29LV320并行NOR Flash，將其配置為字節模式，其存儲容量32Mbits，滿足本文使用的800×600＠60 Hz的SVGA 標準分辨率和每像素點3個8位色彩分量值至少11 Mbits存儲容量的要求［6－7］。

圖1 標準白場裝置硬件系統Fig.1 Hardware system of the white field apparatus

顯示器模塊用以實現標準白場裝置圖像的輸出，選用AU OPTRONICS 生產的M220EW01 V0型號55.9cm（22in）寬屏16∶9LCD，其主要性能參數為：垂直視角160°，水平視角170°，光學響應時間5ms，對比度典型值1 000∶1，分辨率1 680×3（RGB）×1 050，支持WSXGA＋顯示格式，達到16.7M 彩色分辨率（RGB 均為8位），點距為0.282mm×0.282mm，尺寸為493.7mm×320.1mm×16.5mm。

人機接口模塊由按鍵和LCM 構成，用以對標準白場裝置的工作模式和白場色溫進行設定。LCM 采用內置HD44780 液晶顯示控制器的1602型液晶模塊，顯示16 個字符×2 行西文字符。LCM 控制器負責為調用LCM 控制器的上層模塊提供接口，確保上電后執行且僅執行一次初始化，輸出有效信號激勵端口驅動模塊執行寫操作，并對更新顯示的字符進行計數［8－9］。

探頭模塊用于實時采集液晶屏的顯示亮度，并通過亮度采集模塊顯示到標準白場裝置頂部的四位數碼管上。

4 標準白場裝置的軟件系統

標準白場裝置的系統軟件采用模塊化設計的方式，每個模塊獨立設計有上層調用的接口，具有良好的可移植性和通用性。軟件系統主要用于實現輸入信號采集、機械按鍵去抖、內部顯示模式狀態機、SVGA 時序驅動、Flash器件和字符型液晶模塊LCM 器件驅動和輔助調試用接口驅動等功能［10］。其中，內部顯示模塊狀態機、機械按鍵去抖和LCM 控制器在本節中進行了詳細介紹。

4.1 內部顯示模式狀態機設計

為了使白場儀可以顯示不同色溫的標準白場，以及具有標定功能，白場儀軟件系統設計了顯示模式控制狀態機，負責對多種顯示模式進行切換。顯示模式控制狀態機設計如圖2所示。

圖2 顯示模式控制狀態機Fig.2 State machine of the display mode controller

其工作過程如下：

（1）系統復位以后，顯示模式狀態機處于空閑（idle）狀態；

（2）檢測外部“模式”按鍵的輸入信號，依次由空閑狀態切換至標準定標狀態、6 500 K 色溫白場輸出狀態、9 300 K 色溫白場輸出狀態、12 500K 色溫白場輸出狀態；

（3）系統在任何其他狀態下，檢測到外部“復位”按鍵的輸入信號時，系統都將切換至空閑狀態。

4.2 機械按鍵去抖設計

機械按鍵是儀器的人機接口，由于機械觸點存在彈性，每當按鍵閉合和斷開時觸點都會產生反彈，從而出現一個長約數毫秒的往復接通斷開“抖動”現象，因此儀器內部的控制器要對機械按鍵的輸入信號進行去抖處理。

本設計采用的VHDL去抖方法如圖3所示，以單位時間信號作為進程的敏感信號，每隔單位時間執行一次判斷流程。當輸入信號保持設定時間的有效電平時，輸出有效電平，否則輸出無效電平。通過調整單位時間信號和計數器設定值可以改變對機械按鍵輸入的采樣靈敏度和去抖的作用時間。

圖4是應用該去抖方法的行為仿真圖，其中btn＿2＿in是輸入信號，模擬帶有機械振動的按鍵輸入，btn＿sig是經去抖處理后的輸出信號。在仿真中，單位時間信號設定為2μs，計數器設定值為2 000，有效電平設定為高電平，可以看到只有當輸入信號保持4ms高電平以后，輸出信號才會變為高電平，否則始終輸出低電平，達到去抖效果。

圖3 VHDL去抖方法Fig.3 VHDL debouncing method

圖4 VHDL去抖的行為仿真Fig.4 Behavoral simulation of debouncing operation

4.3 LCM 控制器的設計

LCM 控制器負責為調用LCM 控制器的上層模塊提供接口，確保上電后執行且僅執行一次初始化，輸出有效信號激勵端口驅動模塊執行寫操作，并對更新顯示的字符進行計數，其狀態機設計如圖5所示，其工作過程如下：

圖5 LCM 控制器的上層狀態機Fig.5 Upper state machine of the LCM controller

（1）復位以后，LCM 控制器處于空閑（idle）狀態；

（2）所有不確定（otherstates）狀態自動轉換到空閑狀態；

（3）未初始化時，空閑狀態自動順序轉換到清屏（cleardispay）、功能設置（setdlnf）、輸入方式設置（setidsh）和顯示開關設置（setdcb）等狀態以完成初始化；已初始化時，空閑狀態響應更新顯示信號（lcm＿refresh），其有效時轉換到設置第一行顯示地址（setline0）狀態，其無效時保持在空閑狀態；

（4）設置第一行顯示地址狀態轉換到更新顯示數據（writedata）狀態，更新顯示數據狀態通過對計數器（cnt）進行判斷，當計數值為15時轉換到設置第二行顯示地址（setline1）狀態，當計數值為31時轉換到空閑狀態，否則轉換到等待寫完成（writewait）狀態；

（5）等待寫完成狀態響應下層狀態機反饋的寫完成信號（write＿done），其有效時轉換到更新顯示數據狀態，以更新下一位字符，否則保持等待寫完成狀態。

圖6 LCM 寫指令操作的行為仿真Fig.6 Behavoral simulation of LCM operation of writing instruction

圖5中，RS、RW、E和D是LCM 控制器端口，與LCM 器件相應引腳直接相連，lcm＿refresh和disp是LCM 控制器的寄存器，為上層調用模塊提供接口，其余是內部信號。圖6是該控制器對LCM 器件指令寄存器進行寫入數據0x38進行行為仿真的結果。其中設置clk＿sys＿in輸入50MHz，wr＿enable輸入模擬上層調用一次寫操作。

5 實驗研究

本文研制的標準白場裝置功能上可以產生如下3種圖像，第一種圖像是灰度值可調的純彩色圖像，包括純紅、純綠、純藍圖像，如圖7所示，顯示此類圖像時，只要將RGB 值設定到某一組合值便可；第二類是色彩不同的彩條圖像，如圖8所示，顯示此類圖像時需通過在行計數器和列計數器送入不同的RGB 值實現；第三類是速度可調的運動圖像，顯示此類圖像時RGB 值需隨時間變化而變化，如圖9為方塊運動圖。

中國計量科學研究院采用PR－715光譜掃描系統對本文研制的標準白場裝置進行了標準定標，該光譜掃描系統具有測量1931CIE－x，y 色坐標、X／Y／Z 三刺激值、色溫（CCT）等參數的能力。標準白場裝置標準定標在25 ℃、59%濕度和暗室環境條件下進行，測量過程中保證PR－715光譜掃描系統與標準白場裝置的被測區域正交垂直，測試距離為顯示器對角線距離的3～4倍，如圖10所示［11－12］。

圖7 灰度值可調的純彩色圖像Fig.7 Pure colorized picture

圖8 彩條圖像Fig.8 Colorized strip of the white field apparatus

圖9 速度可調的運動圖像Fig.9 Movable picture with adjustable velocity

圖10 標準定標裝置示意圖Fig.10 Schematic of the calibration device

圖11 標準白場裝置的12 500K 色溫白場Fig.11 White field apparatus of 12 500Kcolor temperature

標準定標后的標準白場裝置，以800×600＠60 Hz分辨率輸出白場圖像。可輸出6 500、9 300K和12 500K3種色溫的標準白場，圖11為輸出12 500K 色溫時的圖像。測試表明，本文設計的標準白場裝置運行穩定可靠，24h內輸出白場圖像的亮度誤差小于0.5%。

本文研制的標準白場裝置，通過修改設置還可以輸出用于對比度測試的黑白方塊圖像，如圖12所示。

圖12 對比度測試用黑白方塊圖像Fig.12 Black－white square picture used for contract testing

6 結 論

研制了一種基于FPGA 控制器的標準白場裝置。介紹了標準白場的工作原理，完成了裝置的硬件系統設計和軟件系統設計，最后對研制的設備進行了實驗研究。實驗結果表明，該標準白場裝置可輸出6 500、9 300K 和12 500K3種色溫的標準白場，具有不依賴標準光源、色溫可調和數據存儲等功能。標定后的標準白場裝置能夠生成色溫可調的標準白場，24h內輸出亮度誤差小于0.5%。該標準白場裝置的系統集成度高，標準定標調節過程簡單，能夠記錄和輸出多種色溫的標準白場，具有良好的亮度穩定性，可以為液晶顯示屏生產廠商提供色彩標定的基準。

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