基于7110的彩電白平衡自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：通過(guò)對(duì)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(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的組成及原理，并從軟硬件兩方面給出了實(shí)現(xiàn)的方法和具體算法。經(jīng)生產(chǎn)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，大大提高了電視機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。 

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

白平衡是彩色電視機(jī)質(zhì)量的一個(gè)秉指標(biāo)，而白平衡調(diào)整是彩電生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序之一，它關(guān)系到彩電的色極是否真實(shí)重現(xiàn)所要顯示對(duì)象的原色彩。每臺(tái)彩電出廠(chǎng)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(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，在PC機(jī)的控制下，通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)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(diǎn)，完全滿(mǎn)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(jī)在接收黑白圖像信號(hào)或彩色圖像中的黑白部分時(shí)，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(guān)看時(shí)，在任何對(duì)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(shí)際上，三基色熒光粉的發(fā)光效率是不相同的，而且，三個(gè)電子束的控制特性的截止點(diǎn)和斜率也是不安全相同的。所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須進(jìn)行白平衡調(diào)整。 

白平衡調(diào)整通常分兩個(gè)步驟，即暗平衡調(diào)整和亮平衡調(diào)整。為了說(shuō)明調(diào)整原理，先對(duì)三基色原理進(jìn)行簡(jiǎn)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(lán)色（B）=紫色（M） 

綠色（G）+藍(lán)色（B）=青色（C） 

    當(dāng)紅、綠、藍(lán)三色同時(shí)混合時(shí)，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(shí)，又可以獲得白色，即為： 

紅（R）+綠（G）+藍(lán)（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(shí)，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(chēng)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(xiàn)，這里假設(shè)三個(gè)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(diǎn)和斜率均不一樣，從t1到t2期間，因?yàn)橹挥屑t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(lán)兩電子束都已有電流，故顯像管發(fā)出暗紫色；從t3開(kāi)始，由于三基色都存在，故發(fā)出的光接近白色?？梢?jiàn)，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(gè)控制極的靜態(tài)偏置電壓（單槍三束管）或三個(gè)加速極電壓（三槍三束管）使三條電子束相對(duì)應(yīng)的陰柵極控制性曲線(xiàn)Ib/Vg具有相同的截止點(diǎn)，如圖1（b）所示。這樣，就能滿(mǎn)足三個(gè)電子槍在t1時(shí)刻同時(shí)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(guò)暗平衡調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了低亮度時(shí)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(chǎng)時(shí)仍不為純白色而帶有彩色。因此，還必須調(diào)整三個(gè)電子束陰極的激勵(lì)信號(hào)電平，以使高亮度時(shí)得到白平衡。如果以R信號(hào)幅度為基準(zhǔn)，則調(diào)整G、B信號(hào)幅度，補(bǔ)償調(diào)制特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)白平衡自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)由工控機(jī)、7110色彩分析卡、視頻信號(hào)卡、射頻調(diào)制器、測(cè)色鏡頭、彩色電視機(jī)、I2C總線(xiàn)以及自動(dòng)調(diào)整軟件等組成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

2．2 硬件功能簡(jiǎn)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(jì)出發(fā)點(diǎn)，測(cè)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(guò)程中的高度及色彩測(cè)量控制作業(yè)，如亮度、色純度、白平衡等各種測(cè)試項(xiàng)目，并以板卡的形式與PC 16bit AT-ISA bus兼容，連接自身所帶的測(cè)色鏡頭，在使用者、PC機(jī)與電視機(jī)之間，構(gòu)成一個(gè)完善的視訊顯示測(cè)試系統(tǒng)。 

    該儀器同時(shí)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用RGB模式），可適用于各種不同場(chǎng)的測(cè)試需求。在實(shí)際的白平衡測(cè)試過(guò)程中，使用者可搭配視頻信號(hào)卡（白場(chǎng)信號(hào)發(fā)生器），結(jié)合自動(dòng)測(cè)試軟件，整合成一套由PC機(jī)控制的自動(dòng)白平衡調(diào)整系統(tǒng)，進(jìn)行TV生產(chǎn)測(cè)試和QC等應(yīng)用。 

2．2．2 視頻信號(hào)卡和射頻調(diào)制器 

視頻信號(hào)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(chǎng)視頻信號(hào)。在調(diào)整過(guò)程中，由于R、G、B數(shù)據(jù)的不斷變化，白場(chǎng)信號(hào)的亮度也隨之變化。在PC機(jī)調(diào)整軟件的控制下，視頻信號(hào)卡產(chǎn)生白場(chǎng)信號(hào)的亮度會(huì)自動(dòng)調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值。該視頻信號(hào)經(jīng)射頻調(diào)制器調(diào)制成射頻信號(hào)，通過(guò)AV端子向彩電提供需要測(cè)量的白場(chǎng)信號(hào)，并由CRT顯像管顯示出來(lái)，供測(cè)試之需。 

2．2．3 I2C總線(xiàn)簡(jiǎn)介 

I2C總線(xiàn)是Philips公司推出的一種串行總線(xiàn)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只用兩根信號(hào)線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)尋址、數(shù)據(jù)雙向傳送及各種控制功能。這兩根信號(hào)線(xiàn)一根是數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA），一根是時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。所有帶有I2C總線(xiàn)接口的器件，均可直接掛到這兩根線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)器件間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。 

通過(guò)I2C總線(xiàn)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入IC器件的時(shí)序如圖3所示。 

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

2．2．4 工控機(jī) 

工控機(jī)（586CPU）是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，利用自主研發(fā)的自動(dòng)調(diào)整軟件，控制視頻信號(hào)產(chǎn)生的白場(chǎng)信號(hào)高、低亮度的變化，并讀取7110色彩分析儀測(cè)得的R、G、B值，通過(guò)一定算法修改電視機(jī)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(chǔ)單元內(nèi)容，從而控制整個(gè)白平衡調(diào)整系統(tǒng)自動(dòng)有序地工作。 

    2．3 軟件設(shè)計(jì) 

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(shí)現(xiàn)、I2C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸控制、白平衡調(diào)整的自動(dòng)循環(huán)等，均通過(guò)586工控機(jī)執(zhí)行調(diào)整軟件來(lái)進(jìn)行運(yùn)算和控制。本自動(dòng)調(diào)整軟件采用Borland C++語(yǔ)言編寫(xiě)，程序具有Windows風(fēng)格，操作非常簡(jiǎn)單。操作界面包括儀器的校零、器件地址、E2PROM地址、基準(zhǔn)槍、初始值的設(shè)定等功能，能方便地切換到其他機(jī)型，有效地避免換一種機(jī)型換一個(gè)軟件的時(shí)間 和人力資源的浪費(fèi)。 

下面以某機(jī)芯為例來(lái)說(shuō)明軟件的實(shí)現(xiàn)流程：該機(jī)芯片以紅槍?zhuān)≧）為基準(zhǔn)槍?zhuān)诩t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(jī)達(dá)到白平衡。在進(jìn)行白平衡調(diào)整時(shí)，程序首先讀取E2PROM顏色參數(shù)存儲(chǔ)單元的預(yù)置值，接著讀取7110色彩分析儀通過(guò)測(cè)色鏡頭測(cè)得的高、低亮度值和R、G、B值。如果亮度值與亮度標(biāo)準(zhǔn)值不一致，則先根據(jù)誤差的大小和正負(fù)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(xiě)入視頻信號(hào)卡，控制高、低亮度達(dá)到亮度標(biāo)準(zhǔn)值；如果測(cè)得的R、G、B值與R、G、B標(biāo)準(zhǔn)值不一致，則根據(jù)誤差的大小和正負(fù)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(xiě)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(dòng)調(diào)整，最后一次的調(diào)整數(shù)據(jù)寫(xiě)入E2PROM。程序的簡(jiǎn)化流程框圖如圖5所示。 

3 7110實(shí)現(xiàn)白平衡自動(dòng)調(diào)整的過(guò)程 

在進(jìn)行白平衡調(diào)整時(shí)，由于使用IC器件的不同，有兩種進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)的方式：按遙控器“BUS OFF”鍵，或由PC機(jī)控制由I2C總線(xiàn)插頭的另一根BUS線(xiàn)向被調(diào)整電視機(jī)提供低電平觸發(fā)信號(hào)。對(duì)于使用遙控器進(jìn)入工廠(chǎng)調(diào)整模式的被調(diào)電視機(jī)，在寫(xiě)入E2PROM后即退出工廠(chǎng)調(diào)整模式，而對(duì)于用低電平觸發(fā)方式進(jìn)入工廠(chǎng)調(diào)整模式的電視機(jī)，則要求白平衡調(diào)整完畢后將此信號(hào)恢復(fù)為高電平，使電視機(jī)的MCU恢復(fù)其對(duì)E2PROM的控制。下面仍以紅槍為基準(zhǔn)，通過(guò)其余兩槍的調(diào)整來(lái)說(shuō)明自動(dòng)調(diào)整的整個(gè)個(gè)過(guò)程。 

    在調(diào)整準(zhǔn)備工作完成后，操作者連接射頻信號(hào)線(xiàn)到電視AV端子，加上白場(chǎng)信號(hào)；啟動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)，推進(jìn)測(cè)色鏡頭充分接觸彩電屏幕；把I2C總線(xiàn)的5芯插頭插入機(jī)芯板上的I2C插座。此后的工作由程序自動(dòng)完成：由PC控制拉低BUS控制線(xiàn)，奪取對(duì)I2C總線(xiàn)的控制權(quán)，從而使彩電進(jìn)入工廠(chǎng)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(chǔ)單元初始數(shù)據(jù)，收到ACK信號(hào)后，表示總線(xiàn)插頭和插座已經(jīng)導(dǎo)通，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)工作；然后計(jì)算機(jī)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(zhǔn)值進(jìn)行比較，若小于標(biāo)準(zhǔn)值則按照一定的步長(zhǎng)增加，將調(diào)整后的R、G、B值對(duì)應(yīng)的高、低亮調(diào)整數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)（SDA）寫(xiě)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(xiě)入IC器件寄存器，此時(shí)電視機(jī)屏幕顏色中的R、G、B值隨之改變，再由測(cè)色鏡頭將其R、G、B值傳送回計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，同時(shí)程序調(diào)整高、低亮度至亮度標(biāo)準(zhǔn)值，這樣反復(fù)循環(huán)直至與標(biāo)準(zhǔn)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(xiě)入E2PROM。最后，程序控制拉高BUS控制線(xiàn)，釋放I2C總線(xiàn)，電視屏幕下顯示“BUS OPEN”。此后，操作者拔掉總線(xiàn)插頭，再次啟動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)，測(cè)色鏡頭撤離電視屏幕，白平衡調(diào)整完成。整個(gè)調(diào)整過(guò)程除輔助工作由操作者執(zhí)行外，其余均由PC機(jī)控制自動(dòng)完成，所花時(shí)間一般在10s以?xún)?nèi)，因而效率較高。 

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