基于7110的彩電白平衡自動調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：通過對白平衡原理的分析，介紹了基于7110 CRT色彩分析儀的白平衡自動調(diào)整系統(tǒng)的組成及原理，并從軟硬件兩方面給出了實現(xiàn)的方法和具體算法。經(jīng)生產(chǎn)運行表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，大大提高了電視機的生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 

    關(guān)鍵詞：白平衡 I2C總線 彩色電視機 7110 CRT 色彩分析儀 

白平衡是彩色電視機質(zhì)量的一個秉指標(biāo)，而白平衡調(diào)整是彩電生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序之一，它關(guān)系到彩電的色極是否真實重現(xiàn)所要顯示對象的原色彩。每臺彩電出廠前都要用白平衡調(diào)整儀將其白平衡調(diào)整至規(guī)定的出廠標(biāo)準。采用致茂公司生產(chǎn)的7110 CRT色彩分析儀集成的白平衡自動調(diào)整系統(tǒng)，在PC機的控制下，通過I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸，具有調(diào)整質(zhì)量高、調(diào)整速度快等特點，完全滿足彩電批量生產(chǎn)的需要。 

圖1 

1 白平衡原理分析 

白平衡調(diào)整，其目的是當(dāng)彩色電視機在接收黑白圖像信號或彩色圖像中的黑白部分時，盡管屏幕上三基色熒光粉都在發(fā)光，但在適當(dāng)?shù)木嚯x外觀看時，在任何對比度下能呈現(xiàn)黑白圖像，而不顯示出任何其它色彩。這不僅是黑白兼容的要求，而且也是獲得正確的彩色圖像的先決條件。但實際上，三基色熒光粉的發(fā)光效率是不相同的，而且，三個電子束的控制特性的截止點和斜率也是不安全相同的。所以，在生產(chǎn)過程中，必須進行白平衡調(diào)整。 

白平衡調(diào)整通常分兩個步驟，即暗平衡調(diào)整和亮平衡調(diào)整。為了說明調(diào)整原理，先對三基色原理進行簡單介紹。 

1．1 三基色原理 

三基色原理是彩色電視的最基本原理之一。利用這一原理，基本上可以模擬出自然界的各種彩色。例如： 

紅色（R）+綠色（G）=黃色（Y） 

紅色（R）+藍色（B）=紫色（M） 

綠色（G）+藍色（B）=青色（C） 

    當(dāng)紅、綠、藍三色同時混合時，一般得到較淡的顏色，如淡青、淡紫、淡黃及淡綠等。當(dāng)三者比值合適時，又可以獲得白色，即為： 

紅（R）+綠（G）+藍（B）=白色（W） 

當(dāng)R、G、B三色混合比例保持不變，而只是自各的亮度按同一比例增加或減少時，所混合成的顏色不變，但合成色的亮度也按同一比例增加或減少。把利用這三基色相混合得到全部彩色的原理稱為三基色原理。 

1．2 暗平衡調(diào)整 

由于制造工藝的不同，即使各電子槍所加電壓一樣，三條電子束的控制特性也不可能完全一樣。圖1（a）給出了白平衡調(diào)整前三條電子束的調(diào)制特性曲線，這里假設(shè)三個電子槍所加電壓完全 相同。從中可以看出三電子束控制特性的截止點和斜率均不一樣，從t1到t2期間，因為只有紅電子束流，故在顯像管屏幕上只發(fā)出很暗的紅光；從t1到t2期間，由于紅、藍兩電子束都已有電流，故顯像管發(fā)出暗紫色；從t3開始，由于三基色都存在，故發(fā)出的光接近白色。可見，在低亮度區(qū)域中由于起始柵偏壓不一致不能正確顯示出暗灰色，而是被淡淡地染上一層彩色。 

    為了校正這種效應(yīng)，就必須設(shè)法使三電子束的起始柵偏壓一致。常用的辦法是調(diào)整顯像管三個控制極的靜態(tài)偏置電壓（單槍三束管）或三個加速極電壓（三槍三束管）使三條電子束相對應(yīng)的陰柵極控制性曲線Ib/Vg具有相同的截止點，如圖1（b）所示。這樣，就能滿足三個電子槍在t1時刻同時導(dǎo)通，消除了暗區(qū)出現(xiàn)彩色的可能性而獲得白平衡。 

1．3 亮平衡調(diào)整 

通過暗平衡調(diào)整，實現(xiàn)了低亮度時的白平衡，但由于斜率不同和熒光粉發(fā)光特性不同，所以在高亮場時仍不為純白色而帶有彩色。因此，還必須調(diào)整三個電子束陰極的激勵信號電平，以使高亮度時得到白平衡。如果以R信號幅度為基準，則調(diào)整G、B信號幅度，補償調(diào)制特性曲線斜率的不同和熒光粉的發(fā)光效率的差異引起的失真。白平衡調(diào)整后，特性曲線的斜率應(yīng)該一致。如圖1（c）所示。 

2 系統(tǒng)組成 

2．1 系統(tǒng)組成框圖 

由7110 CRT色彩分析儀集成的I2C總線白平衡自動調(diào)整系統(tǒng)由工控機、7110色彩分析卡、視頻信號卡、射頻調(diào)制器、測色鏡頭、彩色電視機、I2C總線以及自動調(diào)整軟件等組成。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

2．2 硬件功能簡介 

2．2．1 7110色彩分析儀 

Chroma Model 7110 CRT色彩分析儀是一種以PC based為設(shè)計出發(fā)點，測量彩色電視及CRT監(jiān)視器色彩成分因子及白平衡的多功能儀器。它可以提供CRT及監(jiān)視器在生產(chǎn)過程中的高度及色彩測量控制作業(yè)，如亮度、色純度、白平衡等各種測試項目，并以板卡的形式與PC 16bit AT-ISA bus兼容，連接自身所帶的測色鏡頭，在使用者、PC機與電視機之間，構(gòu)成一個完善的視訊顯示測試系統(tǒng)。 

    該儀器同時擁有xyY、TΔuvY、u’v’Y、RGB四種不同的可切換的色度坐標(biāo)系統(tǒng)（本自動測試系統(tǒng)采用RGB模式），可適用于各種不同場的測試需求。在實際的白平衡測試過程中，使用者可搭配視頻信號卡（白場信號發(fā)生器），結(jié)合自動測試軟件，整合成一套由PC機控制的自動白平衡調(diào)整系統(tǒng)，進行TV生產(chǎn)測試和QC等應(yīng)用。 

2．2．2 視頻信號卡和射頻調(diào)制器 

視頻信號卡與PC 16-bit AT-ISA bus兼容，能產(chǎn)生調(diào)整所需的高、低亮度白場視頻信號。在調(diào)整過程中，由于R、G、B數(shù)據(jù)的不斷變化，白場信號的亮度也隨之變化。在PC機調(diào)整軟件的控制下，視頻信號卡產(chǎn)生白場信號的亮度會自動調(diào)整到標(biāo)準值。該視頻信號經(jīng)射頻調(diào)制器調(diào)制成射頻信號，通過AV端子向彩電提供需要測量的白場信號，并由CRT顯像管顯示出來，供測試之需。 

2．2．3 I2C總線簡介 

I2C總線是Philips公司推出的一種串行總線。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，只用兩根信號線即可實現(xiàn)尋址、數(shù)據(jù)雙向傳送及各種控制功能。這兩根信號線一根是數(shù)據(jù)線（SDA），一根是時鐘線（SCL）。所有帶有I2C總線接口的器件，均可直接掛到這兩根線上，實現(xiàn)器件間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。 

通過I2C總線，數(shù)據(jù)寫入IC器件的時序如圖3所示。 

在白平衡調(diào)整時，首先通過I2C總線輸入電視機IC器件地址，共7個字節(jié)；接著一個字節(jié)表示此操作是讀操作還是寫操作（圖3表示寫操作）；8個字節(jié)傳輸后，IC器件收到信息后反饋一個ACK應(yīng)答信號。ACK之后輸入副地址，同樣在正確接收信息后返回一個ACK應(yīng)答信號；最后輸入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，結(jié)束寫入數(shù)據(jù)操作。同理，數(shù)據(jù)讀出時，只需將指令由寫操作改為讀操作即可。數(shù)據(jù)讀出的時序如圖4所示。 

2．2．4 工控機 

工控機（586CPU）是整個系統(tǒng)的心臟，利用自主研發(fā)的自動調(diào)整軟件，控制視頻信號產(chǎn)生的白場信號高、低亮度的變化，并讀取7110色彩分析儀測得的R、G、B值，通過一定算法修改電視機IC器件的顏色參數(shù)控制寄存器和E2PROM中的顏色參數(shù)存儲單元內(nèi)容，從而控制整個白平衡調(diào)整系統(tǒng)自動有序地工作。 

    2．3 軟件設(shè)計 

白平衡調(diào)整中的光學(xué)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、算法實現(xiàn)、I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸控制、白平衡調(diào)整的自動循環(huán)等，均通過586工控機執(zhí)行調(diào)整軟件來進行運算和控制。本自動調(diào)整軟件采用Borland C++語言編寫，程序具有Windows風(fēng)格，操作非常簡單。操作界面包括儀器的校零、器件地址、E2PROM地址、基準槍、初始值的設(shè)定等功能，能方便地切換到其他機型，有效地避免換一種機型換一個軟件的時間 和人力資源的浪費。 

下面以某機芯為例來說明軟件的實現(xiàn)流程：該機芯片以紅槍（R）為基準槍，在紅槍數(shù)據(jù)（R）不變的情況下，調(diào)整G和B兩槍的控制參數(shù)，使彩色電視機達到白平衡。在進行白平衡調(diào)整時，程序首先讀取E2PROM顏色參數(shù)存儲單元的預(yù)置值，接著讀取7110色彩分析儀通過測色鏡頭測得的高、低亮度值和R、G、B值。如果亮度值與亮度標(biāo)準值不一致，則先根據(jù)誤差的大小和正負改變亮度控制值的大小并調(diào)整方向，將調(diào)整后的高、低亮度控制值寫入視頻信號卡，控制高、低亮度達到亮度標(biāo)準值；如果測得的R、G、B值與R、G、B標(biāo)準值不一致，則根據(jù)誤差的大小和正負修正上一次得到的ECUTOFF、GCUTOFF、BCUTOFF、GDRIVE、BDRIVE的值，然后把R、G、B的調(diào)整值寫入IC的顏色參數(shù)控制寄存器。這樣重復(fù)循環(huán)即可完成白平衡自動調(diào)整，最后一次的調(diào)整數(shù)據(jù)寫入E2PROM。程序的簡化流程框圖如圖5所示。 

3 7110實現(xiàn)白平衡自動調(diào)整的過程 

在進行白平衡調(diào)整時，由于使用IC器件的不同，有兩種進入調(diào)整狀態(tài)的方式：按遙控器“BUS OFF”鍵，或由PC機控制由I2C總線插頭的另一根BUS線向被調(diào)整電視機提供低電平觸發(fā)信號。對于使用遙控器進入工廠調(diào)整模式的被調(diào)電視機，在寫入E2PROM后即退出工廠調(diào)整模式，而對于用低電平觸發(fā)方式進入工廠調(diào)整模式的電視機，則要求白平衡調(diào)整完畢后將此信號恢復(fù)為高電平，使電視機的MCU恢復(fù)其對E2PROM的控制。下面仍以紅槍為基準，通過其余兩槍的調(diào)整來說明自動調(diào)整的整個個過程。 

    在調(diào)整準備工作完成后，操作者連接射頻信號線到電視AV端子，加上白場信號；啟動腳踏開關(guān)，推進測色鏡頭充分接觸彩電屏幕；把I2C總線的5芯插頭插入機芯板上的I2C插座。此后的工作由程序自動完成：由PC控制拉低BUS控制線，奪取對I2C總線的控制權(quán)，從而使彩電進入工廠調(diào)整模式，電視屏幕上有“BUS OFF”提示；程序讀取E2PROM中的顏色參數(shù)存儲單元初始數(shù)據(jù)，收到ACK信號后，表示總線插頭和插座已經(jīng)導(dǎo)通，可以進行數(shù)據(jù)讀寫工作；然后計算機從7110色彩分析儀中取得低亮及高亮的R、G、B值，使其與R、G、B標(biāo)準值進行比較，若小于標(biāo)準值則按照一定的步長增加，將調(diào)整后的R、G、B值對應(yīng)的高、低亮調(diào)整數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線（SDA）寫入IC器件的顏色參數(shù)控制寄存器，反之則將比原值小的高、低亮調(diào)整數(shù)據(jù)寫入IC器件寄存器，此時電視機屏幕顏色中的R、G、B值隨之改變，再由測色鏡頭將其R、G、B值傳送回計算機進行比較，同時程序調(diào)整高、低亮度至亮度標(biāo)準值，這樣反復(fù)循環(huán)直至與標(biāo)準之差在允許范圍內(nèi)即為合格。然后將最后一次得到的R、G、B值寫入E2PROM。最后，程序控制拉高BUS控制線，釋放I2C總線，電視屏幕下顯示“BUS OPEN”。此后，操作者拔掉總線插頭，再次啟動腳踏開關(guān)，測色鏡頭撤離電視屏幕，白平衡調(diào)整完成。整個調(diào)整過程除輔助工作由操作者執(zhí)行外，其余均由PC機控制自動完成，所花時間一般在10s以內(nèi)，因而效率較高。 

本白平衡自動調(diào)整系統(tǒng)，具有調(diào)整速度快、調(diào)整精度高等特點。經(jīng)生產(chǎn)線實際使用反，反映效果良好。調(diào)整一臺彩電的白平衡需要7～10s，加上操作人員輔助時間，通過一臺彩電共需要20s左右。它不僅大大降低了調(diào)試人員的勞動強度，而且充分保證了彩電白平衡調(diào)整的準確度和一致性，使彩電生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到明顯提高。