基于FPGA的液晶显示屏测试用标准白场装置

赵 磊，王学亮，巩 岩

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林 长春130033）

1 引 言

近年来液晶显示屏（LCD）已逐渐成为计算机显示终端和家用平板电视的主流。液晶显示屏在生产环节中通常需要采用标准白场进行白平衡调整，以保证颜色复现的准确性与一致性。所谓白平衡调整，是指当输入不同等级的灰度信号时，复现的白场只有亮度的变化，色品坐标值与输入白场信号的色品坐标值保持一致。如果白平衡未调整或者调整不好，即复现的白场色品坐标值与输入白场信号的色品坐标值不一致，在彩色图像复现时出现较大的颜色失真，会引起所复现图像的不真实感。

液晶显示屏在进行白平衡调整时需要输入标准白场信号，以完成液晶显示器的图像测试色品坐标的调整标定。标准白场作为调整的基准，其准确性直接影响着被标定液晶显示屏的显示精度。因此研制能够生成标准白场的装置具有重要的意义。

基于此，本文研制了一种基于FPGA 的液晶显示屏测试用标准白场装置。该标准白场装置具有不依赖于标准光源、色温可调的功能，经标准定标后可为液晶显示屏生产商提供标准白场。本文旨在介绍该标准白场装置的工作原理、软硬件系统设计以及实验测试结果。

2 标准白场装置的工作原理

物体颜色会随着投射光线颜色而发生改变，不同光线照射相同的物体时，呈现的颜色相差很大。为了比较区分不同光源的特性，国际照明委员会（CIE）规定了标准光源，并用基本参量色温表示［1］。不同色温下，目标物的色彩会发生变化，其中白色物体的变化最为显著。为了尽可能减少外界光线对目标颜色的影响，使不同色温条件下都能还原被摄目标本来的色彩，需要进行色彩校正，同时由于白光中RGB 分量强度相同，校正了白光也就可以校正其他颜色的光，因此调整白平衡的本质就是调整色温值［2］。

白平衡调整的基础是三基色原理，根据原理任一种颜色都可以用红、绿、蓝三原色的量，即三刺激值X、Y、Z 来表示，如公式（1）所示。

其中：Pe为发光体的相对光谱功率分布，k 为常数，x（λ）、y（λ）、z（λ）为1931CIE－XYZ 标 准 色 度观察者光谱三刺激值函数［3］。

刺激值Y 表示颜色的亮度，根据得到的三刺激值X、Y、Z，由公式（2）可求出该颜色在CIE 色度坐标系统中的色品坐标（x，y）值［3］。

基于以上原理，本文研制了基于FPGA 的液晶显示屏测试用标准白场装置。该装置工作过程可分为标准定标模式和用户输出模式。在标准定标模式下，采用标准仪器对研制的标准白场装置色温值进行检测，并调整图像的红、绿、蓝分量，使其与标准值一致，然后将定标后的RGB分量存储于存储器中，从而完成标准白场装置的标准定标。用户输出模式时，读取内部存储的多组色温白场的RGB分量值并驱动液晶显示器输出白场图像，为计算机显示终端和家用平板电视等液晶显示屏的现场标定提供基准。

3 标准白场装置的硬件系统

标准白场装置的硬件系统如图1所示，主要包括FPGA 主控模块、显示器模块、人机接口模块、探头和亮度采集模块、电源模块等。

FPGA 主控模块用以实现对所有的外围设备的操作和逻辑控制。FPGA 控制器采用Xilinx公司的Spartan－3系列XC3S400，它将逻辑、存储器及I／O 管理结合在一起，且片内集成了288 kbit Block RAM 和数字时钟管理（DCM），其资源满足 设 计 需 要［4］。DAC 采 用Anolog Devices公司的高速视频数模转换芯片ADV7125，以1.225V 作为参考电压，Rset引脚与参考地之间接514Ω 电阻，使色彩的最高饱和度对应输出电流值为19.04mA，负载端产生0.714V 电压，符合PAL视频标准［5］。Flash ROM 采用Macronix公司MX29LV320并行NOR Flash，将其配置为字节模式，其存储容量32Mbits，满足本文使用的800×600＠60 Hz的SVGA 标准分辨率和每像素点3个8位色彩分量值至少11 Mbits存储容量的要求［6－7］。

图1 标准白场装置硬件系统Fig.1 Hardware system of the white field apparatus

显示器模块用以实现标准白场装置图像的输出，选用AU OPTRONICS 生产的M220EW01 V0型号55.9cm（22in）宽屏16∶9LCD，其主要性能参数为：垂直视角160°，水平视角170°，光学响应时间5ms，对比度典型值1 000∶1，分辨率1 680×3（RGB）×1 050，支持WSXGA＋显示格式，达到16.7M 彩色分辨率（RGB 均为8位），点距为0.282mm×0.282mm，尺寸为493.7mm×320.1mm×16.5mm。

人机接口模块由按键和LCM 构成，用以对标准白场装置的工作模式和白场色温进行设定。LCM 采用内置HD44780 液晶显示控制器的1602型液晶模块，显示16 个字符×2 行西文字符。LCM 控制器负责为调用LCM 控制器的上层模块提供接口，确保上电后执行且仅执行一次初始化，输出有效信号激励端口驱动模块执行写操作，并对更新显示的字符进行计数［8－9］。

探头模块用于实时采集液晶屏的显示亮度，并通过亮度采集模块显示到标准白场装置顶部的四位数码管上。

4 标准白场装置的软件系统

标准白场装置的系统软件采用模块化设计的方式，每个模块独立设计有上层调用的接口，具有良好的可移植性和通用性。软件系统主要用于实现输入信号采集、机械按键去抖、内部显示模式状态机、SVGA 时序驱动、Flash器件和字符型液晶模块LCM 器件驱动和辅助调试用接口驱动等功能［10］。其中，内部显示模块状态机、机械按键去抖和LCM 控制器在本节中进行了详细介绍。

4.1 内部显示模式状态机设计

为了使白场仪可以显示不同色温的标准白场，以及具有标定功能，白场仪软件系统设计了显示模式控制状态机，负责对多种显示模式进行切换。显示模式控制状态机设计如图2所示。

图2 显示模式控制状态机Fig.2 State machine of the display mode controller

其工作过程如下：

（1）系统复位以后，显示模式状态机处于空闲（idle）状态；

（2）检测外部“模式”按键的输入信号，依次由空闲状态切换至标准定标状态、6 500 K 色温白场输出状态、9 300 K 色温白场输出状态、12 500K 色温白场输出状态；

（3）系统在任何其他状态下，检测到外部“复位”按键的输入信号时，系统都将切换至空闲状态。

4.2 机械按键去抖设计

机械按键是仪器的人机接口，由于机械触点存在弹性，每当按键闭合和断开时触点都会产生反弹，从而出现一个长约数毫秒的往复接通断开“抖动”现象，因此仪器内部的控制器要对机械按键的输入信号进行去抖处理。

本设计采用的VHDL去抖方法如图3所示，以单位时间信号作为进程的敏感信号，每隔单位时间执行一次判断流程。当输入信号保持设定时间的有效电平时，输出有效电平，否则输出无效电平。通过调整单位时间信号和计数器设定值可以改变对机械按键输入的采样灵敏度和去抖的作用时间。

图4是应用该去抖方法的行为仿真图，其中btn＿2＿in是输入信号，模拟带有机械振动的按键输入，btn＿sig是经去抖处理后的输出信号。在仿真中，单位时间信号设定为2μs，计数器设定值为2 000，有效电平设定为高电平，可以看到只有当输入信号保持4ms高电平以后，输出信号才会变为高电平，否则始终输出低电平，达到去抖效果。

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

图4 VHDL去抖的行为仿真Fig.4 Behavoral simulation of debouncing operation

4.3 LCM 控制器的设计

LCM 控制器负责为调用LCM 控制器的上层模块提供接口，确保上电后执行且仅执行一次初始化，输出有效信号激励端口驱动模块执行写操作，并对更新显示的字符进行计数，其状态机设计如图5所示，其工作过程如下：

图5 LCM 控制器的上层状态机Fig.5 Upper state machine of the LCM controller

（1）复位以后，LCM 控制器处于空闲（idle）状态；

（2）所有不确定（otherstates）状态自动转换到空闲状态；

（3）未初始化时，空闲状态自动顺序转换到清屏（cleardispay）、功能设置（setdlnf）、输入方式设置（setidsh）和显示开关设置（setdcb）等状态以完成初始化；已初始化时，空闲状态响应更新显示信号（lcm＿refresh），其有效时转换到设置第一行显示地址（setline0）状态，其无效时保持在空闲状态；

（4）设置第一行显示地址状态转换到更新显示数据（writedata）状态，更新显示数据状态通过对计数器（cnt）进行判断，当计数值为15时转换到设置第二行显示地址（setline1）状态，当计数值为31时转换到空闲状态，否则转换到等待写完成（writewait）状态；

（5）等待写完成状态响应下层状态机反馈的写完成信号（write＿done），其有效时转换到更新显示数据状态，以更新下一位字符，否则保持等待写完成状态。

图6 LCM 写指令操作的行为仿真Fig.6 Behavoral simulation of LCM operation of writing instruction

图5中，RS、RW、E和D是LCM 控制器端口，与LCM 器件相应引脚直接相连，lcm＿refresh和disp是LCM 控制器的寄存器，为上层调用模块提供接口，其余是内部信号。图6是该控制器对LCM 器件指令寄存器进行写入数据0x38进行行为仿真的结果。其中设置clk＿sys＿in输入50MHz，wr＿enable输入模拟上层调用一次写操作。

5 实验研究

本文研制的标准白场装置功能上可以产生如下3种图像，第一种图像是灰度值可调的纯彩色图像，包括纯红、纯绿、纯蓝图像，如图7所示，显示此类图像时，只要将RGB 值设定到某一组合值便可；第二类是色彩不同的彩条图像，如图8所示，显示此类图像时需通过在行计数器和列计数器送入不同的RGB 值实现；第三类是速度可调的运动图像，显示此类图像时RGB 值需随时间变化而变化，如图9为方块运动图。

中国计量科学研究院采用PR－715光谱扫描系统对本文研制的标准白场装置进行了标准定标，该光谱扫描系统具有测量1931CIE－x，y 色坐标、X／Y／Z 三刺激值、色温（CCT）等参数的能力。标准白场装置标准定标在25 ℃、59%湿度和暗室环境条件下进行，测量过程中保证PR－715光谱扫描系统与标准白场装置的被测区域正交垂直，测试距离为显示器对角线距离的3～4倍，如图10所示［11－12］。

图7 灰度值可调的纯彩色图像Fig.7 Pure colorized picture

图8 彩条图像Fig.8 Colorized strip of the white field apparatus

图9 速度可调的运动图像Fig.9 Movable picture with adjustable velocity

图10 标准定标装置示意图Fig.10 Schematic of the calibration device

图11 标准白场装置的12 500K 色温白场Fig.11 White field apparatus of 12 500Kcolor temperature

标准定标后的标准白场装置，以800×600＠60 Hz分辨率输出白场图像。可输出6 500、9 300K和12 500K3种色温的标准白场，图11为输出12 500K 色温时的图像。测试表明，本文设计的标准白场装置运行稳定可靠，24h内输出白场图像的亮度误差小于0.5%。

本文研制的标准白场装置，通过修改设置还可以输出用于对比度测试的黑白方块图像，如图12所示。

图12 对比度测试用黑白方块图像Fig.12 Black－white square picture used for contract testing

6 结 论

研制了一种基于FPGA 控制器的标准白场装置。介绍了标准白场的工作原理，完成了装置的硬件系统设计和软件系统设计，最后对研制的设备进行了实验研究。实验结果表明，该标准白场装置可输出6 500、9 300K 和12 500K3种色温的标准白场，具有不依赖标准光源、色温可调和数据存储等功能。标定后的标准白场装置能够生成色温可调的标准白场，24h内输出亮度误差小于0.5%。该标准白场装置的系统集成度高，标准定标调节过程简单，能够记录和输出多种色温的标准白场，具有良好的亮度稳定性，可以为液晶显示屏生产厂商提供色彩标定的基准。

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