白平衡自動測量調整儀的工作原理實現(xiàn)設計

本文介紹了一種基于PC的白平衡自動測量調整儀的系統(tǒng)結構和基本原理。該系統(tǒng)的測試信號發(fā)生、調整信號輸出、白場色度測量均由PC控制，實現(xiàn)了基于PC的測控一體化。該測量調整儀可用于有I2c接口的數(shù)字電視的白平衡調整，通過適當調整還可用于彩屏手機和LCD顯示器等的白平衡調整。

數(shù)字電視的巨大市場為消費電子廠家看好，目前已經(jīng)成為各家電廠家的開發(fā)熱點。在對TV色彩效果要求愈來愈高的情況下，白平衡調整成為TV質量控制的必備工 序。與模擬電視不同，數(shù)字電視的白平衡調整采用不同的方法，因此需要不同的白平衡調整設備。本文介紹一種基于PC的白平衡自動測試調整設備，該設備適用于 數(shù)字電視的生產質量控制?；谕瑯釉?，工程師可開發(fā)適用于彩屏手機、PDA、可視電話等有顯示色彩質量要求的產品的白平衡調整控制設備。

基準白與白平衡調整

在色度學上， 常以白色作為標準，作為分解、重現(xiàn)顏色的參考。在彩色電視系統(tǒng)中，攝像端和顯像端都應選擇一個基準白色，作為傳輸彩色圖像的參考白色。如果電視屏幕上顯示 的白色不等于基準白，在彩色電視顏色復現(xiàn)時會產生較大的顏色失真。我國彩色廣播標準和彩色電視接收機白場色溫及其寬容度標準中，都規(guī)定選取D65白場色溫 作為分解、傳送、重現(xiàn)彩色電視信號的基準白。D65（色溫為6500K，7MPCD，色坐標x0=0.313、y0=0.329）是白晝太陽光的平均色 溫，基準白的色度坐標誤差超標時會影響彩色圖像的再現(xiàn)，降低圖像質量。因此，要對偏離的白場進行調整使之接近標準白，這就是白平衡調整。彩色電視機的白平 衡調整保證彩色電視機重現(xiàn)不同亮度的彩色圖像時色溫基本保持不變，不出現(xiàn)附加顏色。

彩色電視機的白場由紅綠藍三電子束轟擊熒 光屏上相應的三色熒光粉形成，當送到彩色顯象管紅（R）、綠（G）、藍（B）三路電壓相等時產生白色。但由于實際紅、綠、藍三個調制極的截止電壓不完全相 同，其調制特性和R、G、B三種熒光粉的發(fā)光效率和色坐標與理論值有差異，為此必須進行白平衡調整。白平衡調整就是通過使RGB三路輸出電壓不相等使各電 子束電流比例稍微有些差異，從而彌補三電子束和三種熒光粉在性能上的差，見圖1。

現(xiàn)有的模擬電視在生產線上實際的白平衡調整 過程為給被調彩色電視機加上半白半黑的白平衡信號，通過彩色分析儀或白平衡儀測量出亮場和暗場的色坐標相對于標準白場色坐標的偏差，根據(jù)偏差值同時調整五 個電位器的大小來改變彩色電視機的截止電壓和激勵電壓，使彩色電視機在這兩個亮度下的白場與標準白場一致，從而保證在其它亮度下彩色電視機的白場基本上與 基準白的白場一致。

數(shù)字電視中的白平衡調整與模擬式彩電的白平衡調整不同，它不是調整電位器，而是通過I2C總線將調節(jié)數(shù)據(jù) 送給該電視機中的微處理器，微處理器接收到調整數(shù)據(jù)后，改變相關控制寄存器的值，從而使內部有關控制器件的輸出模擬量大小發(fā)生變化，實現(xiàn)對驅動顯像管的 R、G、B三槍的電流調節(jié)，達到白平衡調整目的。

用于調整白平衡的數(shù)據(jù)通常有5個， 其中三個為R、G、B三槍截止電壓控制，另兩個為束流控制，即激勵電壓控制。

系統(tǒng)結構

圖2 是針對數(shù)字電視的白平衡調節(jié)系統(tǒng)的結構框圖，它由兩塊PC機插卡組成，一塊是白場電視信號發(fā)生器電路，同時也包含和I2C總線接口的調節(jié)信號輸出電路。白 場電視信號發(fā)生器核心采用飛利浦公司的視頻編碼器IC芯片TDA8501來生成復合電視信號，該板卡中采用12位分辨率的D/A輸出，提供R、G、B輸入 電平給TDA8501。D/A的輸出由PC軟件設定值控制，可靈活改變使輸出圖像具有任意性，既可產生白場信號又可產生單色信號。輸出信號的亮度也可以選 擇，為單色定標提供了方便，通過改變RGB的值可實現(xiàn)亮度設定與跟蹤。另一塊是色度參數(shù)測量和信號采集電路，該電路由放大電路、A/D轉換電路、單片機及 接口電路、RS232通訊接口電路組成，主要完成測量和定標工作。該電路將探頭送來的電信號放大，A/D轉換后通過計算來得到測量值。測量工作由單片機控 制，同時單片機負責與主機通訊，以接受主機的指令和進行數(shù)據(jù)傳輸。

調節(jié)信號輸出器由I2C控制器PCF8584組成，用于將計算后得到的5個白平衡調節(jié)控制數(shù)據(jù)送上I2C總線，傳給被調節(jié)彩電。

光探頭采用色度型探頭，由硅光電池制成，它與濾色片配合可將色度信號轉換為與三刺激值成正比的電流信號，送入信號采集板。視頻/射頻轉換器將信號發(fā)生器板產生的視頻信號轉換為射頻信號，送入電視機天線入口處。整個系統(tǒng)在設定好后，可實現(xiàn)對彩電的在線自動白平衡調節(jié)。

測量的基本原理

測量要用到光輻射學和色度學相關知識。在顏色測量中，首要的任務是測定色刺激值函數(shù)φ（λ），實際上是要測定被測光源的相對光譜功率分布Pe（λ）。再根據(jù)色度學的三個基本方程式求得顏色的三刺激值X、Y和Z為：

EQ1

其中，X-（λ）、Y-（λ）、Z-（λ）是CIE標準色度觀察者光譜三刺激值函數(shù)，其圖形如圖3示。

在得到了顏色三刺激值之后，可由下式求出該顏色在CIE色度坐標系統(tǒng)中的色品坐標值：EQ2

本儀器用光電積分法來測量，光電積分法是通過把探測器的光譜響應匹配成所要求的CIE標準色度觀察者光譜三刺激曲線，或某一特定的光譜響應曲線，來對被測量 的光譜功率進行積分測量。我們選用色度型探頭，用硅光電池來測量。硅光電池在零偏置時，輸出電流與光照成線性關系，此時的輸出短路電流為：

EQ3

SI為光電池的靈敏度，E為光照，這樣可測定被測光源的相對光譜功率分布Pe（λ）。事先用濾波片將探頭光譜響應匹配成X-（λ）、Y-（λ）、Z-（λ），這樣經(jīng)電流-電壓轉換，然后此電壓經(jīng)放大器放大再進行A/D轉換，便得到了與三刺激值X、Y和Z成正比的數(shù)字量，由它可進一步計算出色坐標值x、y。

工作過程和測控程序

由前面的論述可知，PC白平衡調整系統(tǒng)是一個閉環(huán)的自動測量和控制系統(tǒng)。它的工作過程分為信號發(fā)生和調節(jié)、測量、誤差計算、反饋調節(jié)信號輸出等過程。

系統(tǒng)上電后，先通過信號發(fā)生器給彩電發(fā)出一個由使用者通過PC控制軟件設定亮度值的白場信號，然后測量電路就開始測量。

整個系統(tǒng)的測量部分分別由三個亮場和暗場探頭、前置六路放大器、A/D轉換器、89c52微處理器等組成，亮場和暗場探頭由光譜響應被匹配成X-（λ）、Y -（λ）、Z-（λ）的探測器組成。整個測量過程如下：彩色電視機發(fā)出的光信號經(jīng)探頭的光電轉換后，生成亮場的Xr、Y、Z和暗場的Xr、Y、Z六路信 號；系統(tǒng)通過切換來控制六路信號的放大和處理；得到的六路信號經(jīng)過前置放大器放大后，然后通過A/D轉換器轉換成數(shù)字量送到89c52微處理器中；最后通 過89c52微處理器來進行相關的色度參數(shù)運算，得到該彩色電視機的各項色度參數(shù)，如亮場和暗場的色坐標、亮度、歸一化后的RGB值。

上位PC機通過RS232得到當前的測量結果，如R/G、B/G、G的大小，由精心研究和實驗過的算法來決定如何調節(jié)彩色電視機顯象管各槍的截止電壓和激勵 電壓，是增大還是減小各槍的截止電壓和激勵電壓，從而調整亮、暗平衡，最后達到白平衡。這當中上位PC機通過I2C總線接口來完成對彩色電視機顯象管各槍 的截止電壓和激勵電壓的控制，也就是通過I2C總線控制器PCF8584向彩電發(fā)出調整數(shù)據(jù)。彩電內的RGB截止/驅動控制器件TA8889（I2C器 件）接收到調整數(shù)據(jù)后，即改變控制彩色電視機顯象管各槍的截止電壓和激勵電壓的寄存器的值，從而調整亮、暗平衡。這就是自動調整過程。測量前要先定標以保 證精度。

本文小結

本調整儀的測試信號發(fā)生、調整信號輸出、白場色度測量均由PC控制，實現(xiàn)了基于PC的測控一體化，讓使用者通過軟件能在線干預測控的全過程。在彩屏手機、PDA、可視電話、LCD顯示屏的生產中，同樣存在白平衡調整問題，本測試儀所用色度測量原理經(jīng)適當改進，也同樣適用。

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