LED 亮度調(diào)節(jié)中的人眼感受非線性校正

琚新剛，勾占鋒，孫 華

（1.河南教育學(xué)院 電路與系統(tǒng)重點(diǎn)學(xué)科組，河南 鄭州450046；2.鄭州師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450044；3.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，河南 鶴壁458030）

0 引言

LED新型照明光源，節(jié)能、壽命長、控制靈活，其應(yīng)用范圍日益廣泛.LED亮度調(diào)節(jié)通常采用PWM數(shù)字調(diào)光機(jī)制［1］，由于PWM信號占空比與光通量φ成線性關(guān)系，而人眼對線性變化的φ所引起的亮度變化的感覺是非線性的.因此，為實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)給人眼帶來線性感受，需引入非線性校正技術(shù)，對φ進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到人眼對光調(diào)節(jié)線性感受的目的.

1 人眼亮度感受非線性規(guī)律

國際照明委員會（The Inter national Co mmission on Ill u mination，CIE）對亮度的定義是：某一區(qū)域放射出光線的多少，用光通量來表征.亮度是一個(gè)感官量，人眼大約能分辨出80個(gè)等級的亮度.在某個(gè)環(huán)境中，人眼無法感受到亮度小于環(huán)境最高亮度百分之一的物體［2］.

人眼對亮度具有本能的非線性感受.眼睛對較低灰度的光亮變化更敏感.弱光時(shí)，光強(qiáng)增加一倍，人眼感覺到的增強(qiáng)多于一倍；強(qiáng)光時(shí)，光強(qiáng)增加一倍，人眼感覺到的增強(qiáng)不足一倍.只有18%光源亮度的光線，人眼感覺大約是一半的亮度.

表現(xiàn)在一個(gè)燈具，當(dāng)其輸出光通量隨時(shí)間線性變化時(shí)，人眼的感受卻不是線性的，在燈光微亮區(qū)，燈具很小的光通量改變也讓人眼感到光強(qiáng)變化很大，而在光通量比較大的區(qū)域，很大的光通量跳躍，人眼感覺到的光強(qiáng)變化也不大.眼睛的這種自然響應(yīng)與CRT顯示器固有響應(yīng)的反特性非常相近［3］.即：

人眼對亮度的感受 ＝ 光通量＾（1／2.2）

2 亮度感受非線性校正原理

以F表示人眼對亮度的感受，φ表示光通量

線性的亮度感受需要非線性變化的φ，由于φ與D嚴(yán)格線性，故線性變化的亮度感受需要遵從某種規(guī)律的非線性變化的φ，所謂的某種規(guī)律，即（線性調(diào)節(jié)對應(yīng)的非線性變化）φ——人眼亮度感受的反非線性特性，映射在系統(tǒng)中，就是AD采樣后的值A(chǔ)在控制PWM的占空比時(shí)（A作為查找表的地址取φ 值時(shí)），φ 值按照D ＝λA2.2的規(guī)律［4］，如圖1所示，即在存儲器中預(yù)先存儲按反特性計(jì)算好的φ值，達(dá)到校正目的.

圖1 非線性校正原理Fig.1 Nonlinear correction principle

3 利用Quartus II平臺實(shí)現(xiàn)非線性校正

利用Quart us II平臺的可參數(shù)化宏功能模塊和LPM（Librar y of Para meterized Modules，參數(shù)可設(shè)置模塊庫）函數(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)上述LED燈控系統(tǒng)所需的非線性校正.

3.1 設(shè)計(jì)校正模塊

校正模塊由校正數(shù)據(jù)ROM、頂層設(shè)計(jì)、PWM產(chǎn)生電路3個(gè)部分組成.其中，頂層設(shè)計(jì)作為整體載入FPGA芯片，包含了2個(gè)部分，一個(gè)n位計(jì)數(shù)器，作為ROM的地址信號發(fā)生器；一個(gè)LPM＿ROM模塊作為信號波形數(shù)據(jù) ROM［5］.地址發(fā)生器的時(shí)鐘CLK，其輸入頻率記為f0，每個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)（取決于計(jì)數(shù)器位數(shù)n，為2n點(diǎn)），D／A輸出的頻率記為f，三者之間的關(guān)系為

3.2 定制LPM＿ROM模塊的初始化數(shù)據(jù)文件（64級灰度）

根據(jù)D＝A2.2，確定ROM內(nèi)的.mif（Memory Initialization File）波形數(shù)據(jù)文件，如圖2所示.

圖2 非線性校正曲線Fig.2 Nonlinear correction curve

取點(diǎn)數(shù)n＝64（64級灰度，理論最高值由AD采樣位數(shù)決定），按照D＝A2.2等間距取D的64個(gè)數(shù)據(jù)，經(jīng)歸一化、取整處理后作為校正后的占空比數(shù)據(jù)，由于FPGA只能描述定點(diǎn)整數(shù)，位數(shù)越多誤差越小，資源占用越多.取整后得到的最大數(shù)據(jù)為9090，如圖3所示，需采用14位二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)線為14位，64個(gè)數(shù)據(jù)確定了ROM的地址線為6位.

圖3 Datarom.mif文件Fig.3 Datarom.mif file

在Quart us II中選擇ROM數(shù)據(jù)文件編輯窗.根據(jù)64點(diǎn)14位冪函數(shù)數(shù)據(jù)的情況，可選ROM的數(shù)據(jù)數(shù)Nu mber為64，數(shù)據(jù)寬Wor d size取14位.據(jù)此建立.mif數(shù)據(jù)表格.可直接在表中填寫，之后保存存此數(shù)據(jù)文件，名為datar o m.mif，路徑：F：＼jiaozheng＼.可在 QuartusII下查看該文件［6－7］，如圖4所示.

圖4 定制的存儲器頂層電路Fig.4 Customized memory top circuit

在Quart us II環(huán)境下定制LPM＿ROM元件.生成存放波形數(shù)據(jù)的文件后，利用Mega Wizard－Pl ug－In Manager定制校正數(shù)據(jù)ROM宏功能塊，并將以上dataro m.mif中的占空比D的數(shù)據(jù)加載于此ROM中.

在Quart us II環(huán)境下定制LPM＿ROM的RTL電路，其頂層電路如圖4所示.

4 測試結(jié)果

通過嵌入式邏輯分析儀Signal Tap II獲得芯片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和端口的信號波形，節(jié)點(diǎn)Q1代表AD采樣值，作為讀取ROM的地址信號，利用圖中的游標(biāo)可以查看驗(yàn)證任一地址處的信號波形值，即DOUT端口的輸出值［8］，更直觀地顯示出設(shè)計(jì)方案在芯片的運(yùn)行情況，驗(yàn)證了非線性校正得以實(shí)現(xiàn)，如圖5所示.

圖5 Signal Tap II顯示的波形Fig.5 Wavefor m in Signal Tap II

5 結(jié)論

根據(jù)LED燈具光通量和人眼感受的反非線性特性，通過FPGA查找表的控制方法，實(shí)現(xiàn)了非線性校正，技術(shù)手段簡單易行，明顯降低了燈具在調(diào)光過程中給人的非線性感覺，使人眼感受到的LED燈具多級調(diào)光均勻協(xié)調(diào).

［1］ KURDT HONGMEE W.Design and i mplementa－tion of an FPGA－based multiple－colour LED display board［J］.Microprocessors and Microsystems，2005，29：327－336

［2］ Cree.白皮書——LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊［EB／OL］.［2010－8－27］.http：／／www.gg－led.co m／asdisp－65b095f b－130325.ht ml.

［3］ 中電網(wǎng).伽瑪技術(shù)在CRT電視系統(tǒng)中含義 ［EB／OL］.［2011－7－25］.http：／／www.eccn.com／design＿2011031513485019.ht m.

［4］ 馬曉陽.LED顯示屏γ校正的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電光與控制，2010，17（6）：92－96.

［5］ 琚新剛.基于SOPC技術(shù)的多通道LED灰度控制模塊硬件設(shè)計(jì)［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)2010，38（3）：74－77.

［6］ Altera International Li mited.Cyclone II Device Family Data sheet［EB／OL］.［2010－8－27］.http：／／www.altera.com.cn／literature／hb／cyc2／cyc2＿cii5v1＿01.pdf.

［7］ 維基百科.FPGA［DB／OL］.［2011－08－04］.http：／／zh.wikipedia.org／wiki／FPGA.

［8］ 潘松.EDA技術(shù)與VHDL［M］.北京：清華大學(xué)出版社.2007：9－10.