基于PWM理论的驾驶室调光设计

张乃文 包磊

摘    要：本文使用PWM（脉冲宽度调制）方法，利用驾驶室调光装置进行背光调节。通过调节脉冲的高电平的时间（LED的导通时间）占空比来改变 LED背光亮度，对驾控台控制单元及周边设备背光亮度进行统一调节，使驾驶室内各设备的屏幕显示和背光亮度能快速响应和满足不同光线环境下的航行要求。然后，从光的亮度范围、光源的选择、眩光的控制方法、辅助照明的亮度等方面，阐述了驾驶舱光环境设计研究的现状和意义。

关键词：驾驶室;调光;PWM

中图分类号：S969.33                              文献标识码：A

Abstract： In this paper， PWM （pulse width modulation） method is used to adjust backlight by wheel house dimming device. By adjusting the duty cycle of the high level time of the pulse （the conduction time of the LED）， that is， the brightness shift transformation， and then the backlight brightness of the control unit and the peripheral equipment is adjusted uniformly， so that the screen displays and backlight brightness of each equipment in the wheel house can respond quickly and meet the navigation requirements in different light environments. Then， the present situation and significance of wheel house light environment design are expounded from the aspects of the brightness range of light， the selection of light source， the control method of glare， the brightness of auxiliary lighting and so on. The future development of the light environment design for wheel house is expected.

Key words： Wheel house; Diming; PWM

1    引言

船舶航行最重要的控制舱室为驾驶室，它是全船协同各系统行驶的中枢。 随着自动化程度的提高和驾驶室控制及报警设备增加，驾驶室的光环境更加复杂。 在提高行驶效率的同时，夜航时指示灯光和背光的调光问题也丞待解决。 合理科学的驾驶室灯光环境设计，可以提高导航的安全性和可靠性，特别是在驾驶员的心理和视觉方面发挥积极的引导作用[1]。

2    驾驶室光环境影响因素

驾驶室内发光的屏幕、按钮较多 ，整体光环境受到如下因素的影响：

（1）显示屏幕

随着现代造船信息化、自动化和智能化水平的日益增高，大量的综合信息显示设备配有大尺寸、高亮度的显示屏幕，容易给夜间航行产生光污染;

（2）指示灯光

信息高度集成化是船舶驾驶室的特征，设备上的指示開关和报警信息、车钟档位、设备开启复位及运行状态等显示的颜色不一致、亮度不可调整，在暗环境中会对操纵者产生一定的眩光影响;

（3）透光按键

驾驶室的键盘、开关、按钮、功能键大多具有透光按钮;

（4）驾驶室中的光折射

驾驶室顶部天花板、墙面和甲板均为金属材质，反光较为严重，易将多光源的光线反射到驾驶室窗上造成眩光，影响驾驶室人员操作。

3   驾驶室光环境优化方法

在夜间航行时，驾驶室顶部信息显示器、视频复示器、电子海图、导航雷达、自动舵、任务工况指示板、航行管理模块等设备， 发出的指示灯会在舱壁或舱室顶部形成复杂的光路反射并投射到舷窗上影响航行。因此，从软件和硬件方面对驾驶室光环境进行优化是一个全方位的解决方案。

3.1   环境优化

（1）驾驶室内表面进行粗糙处理，使光在舱室内表面产生漫反射，以减少舱壁、天花板、舷窗的反射;

（2）驾驶室尽量不使用亮色或消极色彩，优先选择不饱和色，让视觉上产生平静感3.2   照明优化

（1）驾驶室前窗玻璃设计25°的倾角，并将第一排普通照明灯具前移至距离天花板前端450 mm处;

（2）驾驶室内部正常白光照明在夜航时全部关闭，采用低照度的红光照明。

3.3   显示器优化

（1）对显示器发光效能的优化是船舶驾驶室光环境治理的最重要因素;

（2）将驾驶室发光设备进行可调光设计。在显示器上设计亮度调节功能，利用PWM原理通过外部接口接收调光指令并解析，控制调节显示器背光亮度。

4   PWM调光方法

4.1  占空比与脉冲、电压间的关系

占空比指脉冲高电平持续时间与脉冲周期的比值。如图1所示，脉冲周期不变时，占空比低，脉冲输出时间短，平均电压就低、输出能量就小;占空比高，脉冲输出时间长，平均电压就高、输出能量就大。

4.2  何為LED调光比

调光比其实就是调光的最低有效占空比，即调光比率 = Foper/Fpwm：

式中：Foper为工作频率;Fpwm为调光频率。

4.3   脉宽调制（PWM）控制方式

PWM就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形[6]，如图2所示。

图2显示了三种不同的 PWM波形：图中（a）波形的占空比为10%，即在信号周期中时间通与时间断的比例为1：9;图中（b）的占空比为50%;图中（c）的占空比为90%。

PWM 输出编码分别是：强度为满度值10%、50%和 90%的三种不同模拟信号值。

5   PWM在实船的应用

驾驶室综合调光设备能对驾控台及其周边设备上显示和控制单元的亮度进行统一调节，使驾驶室内各设备的显示和背光亮度能快速响应和满足不同光线环境下的航行需求。

5.1  集中调光系统组成

以某船为例，驾驶室综合调光设备由3块可调光控制面板和1个调光控制模块组成：调光控制面板分别安装在驾驶室的航行管理台、航行操纵台、航行保障台的台面，调光控制模块安装在驾控台内。

5.2   集中调光系统功能

（1）电源按钮功能

每个调光面板上均有一个电源按钮，控制本面板操作是否有效。电源开时，面板上其它按钮和旋钮都有效，调光报文能正常发送，背光正常调节;电源关时，本面板其它按钮和旋钮不起作用，操作时不会有调光报文发出，面板按键背光不亮。

（2）调光旋钮功能

三块面板上的旋钮分别对应于本区域设备。顺时针旋转调光旋钮，本面板上按键背光亮度增加，顺时针旋转到某一程度时旋钮调光到达上限，即使继续顺时针调节旋钮亮度也不会改变;逆时针调节时亮度减小且具有下限;调节调光旋钮时，对外发送报文。

5.3  集中调光系统原理

驾驶室中的显示器由单片机串口控制板、背光驱动板、显示器驱动板、OSD和调光按键及液晶屏组成。

当MCU的串口控制板收到亮度控制命令时，MCU执行以下工作：

（1）按照要求输出相应占空比的PWM信号到按键板和背光控制板，对背光的亮度进行调节;

（2）输出相应指令到显示驱动板，完成屏幕显示模式（白天、晨昏、夜间）及相应的亮度调节;

（3）向设备主机发送颜色匹配指令，驱动应用软件进行相应的颜色变化;

（4）通过串口对接收到总控端或分控端命令进行握手应答，并上传即时状态。

在驾驶室的调光中，首先将驾驶室的设备按功能进行分组，每组为一个调光单元，每个单元配有一个调光控制板和一个调光模块;每个发光设备具有外部调光接口（以太网、CAN或RS422），通过接口接收外部的调光指令，从而根据亮度需要对背光进行调节;设备微调完成后，通过外部接口发送微调完成后亮度等级，且指令响应及反馈时间不大于30 ms[7]。

在某型船的驾驶室调光设计中，通过集中调光模块将各个发光设备通过电缆连接，发光设备通过RS422、RS485、CAN、以太网协议接收发送调光指令。实现了不同任务下的调光自适应，节省各设备旁的操作人员配置，提高了船舶智能化（见图3）。

6   调光系统的模式切换及报文反馈

6.1  发光设备的亮度分级

将某船驾驶室发光设备按其指示、背光灯亮度进行分级，如表1所示。

6.2   调光控制面板的模式切换

（1）模式切换功能

模式切换功能对应每个面板上的白天，晨昏，夜间。模式切换操作是全局的，位于不同面板上的同名按钮被按下时发送的报文是相同的，尤其对于串口协议来说每次发送模式切换报文时，会发送地址0x20 / 0x40/ 0x60 / 0x80起始的4帧报文;模式发生变化时，面板上按键背光被调节到模式对应的默认亮度。

（2）设定模式功能

某些子设备也具有设定模式功能，这些设备的接口均为以太网，子设备进行模式切换后，向统一调光模块发送模式切换报文;统一调光模块接收到来自子设备的模式切换报文后，完成全局的模式切换操作，其效果等同于按下面板上的某一模式按钮。此时，统一调光模块向下发送模式切换报文。

（3）背光亮度调节功能

对于指示灯、报警灯的亮度，根据显示模式进行切换。白天模式，指示灯和报警灯的亮度为510 cd/㎡、指示灯为3.4±1.7 cd/㎡;当背光亮度接近指示灯亮度时，指示灯亮度应调节到背光亮度的两倍。

6.3  调光旋钮的同步报文

三块面板上的同步按钮分别控制本区域设备。按下同步按钮时，面板本身背光亮度调节至当前全局模式默认亮度等级，并发送对应报文至本区域下设备，使各设备自身微调后各不相同的调光等级被同步，各设备被同步后的调光等级为当前模式默认亮度等级。

7   结束语

随着科技的发展和船东需求的提高，越来越多基于PWM的智能调光系统被应用于驾驶室设计中：一方面，灯光亮度变化准确、容量大、操作方便灵活;另一方面，对夜间适宜光环境的定义与相关环境参数目前还没有准确的标准，相关系统的设计需求因人而异，需要通过琐碎的地址码设定以达到系统集成。因此，我们需继续研究船舶夜间航行时光环境的影响因素，进一步优化航行时的光环境，改进设备背光形式及驾驶室总体光环境数据支持;制定科学的示范计划，开发相应的控制系统和设备，使船舶驾驶室的光环境研究更加科学、具体;对于PWM调光来说，只有设计出低功耗、高集成度、工艺速度快、驱动能力强的PWM控制芯片才能不断适应调光市场的需求，指导行业标准的发展，促进船舶驾驶室的智能化设计。

参考文献

[1]许或青，候博瑞.基于人机工程的驾驶室布局虚拟评估[J].工业设计 教育研讨会暨国际工业设计高峰论坛文集[C]. 2016.

[2]刘川.智能灯光控制器的设计[J]. 电子世界，2018，35（12）.

[3]Phillip E.Allen Douglas R.Holberg.CMOS模拟集成电路设计.

[4]华侨大学. 纺织品检测的运动控制系统设计[D]. 2013.

[5]姚其.民机驾驶舱LED照明工效研究[D]. 复旦大学， 2012.

[6]王玮.民机驾驶舱综合视觉工效CAD实验系统的研发[D].上海：复 旦大学， 2013.

[7]郑鹏宇，印士波，史军.船舶家好似是夜光环境优化 [J].造船技术，     2018（2）.