LED 亮度调节中的人眼感受非线性校正

琚新刚，勾占锋，孙 华

（1.河南教育学院 电路与系统重点学科组，河南 郑州450046；2.郑州师范学院 信息科学与技术学院，河南 郑州450044；3.鹤壁职业技术学院 电子信息工程系，河南 鹤壁458030）

0 引言

LED新型照明光源，节能、寿命长、控制灵活，其应用范围日益广泛.LED亮度调节通常采用PWM数字调光机制［1］，由于PWM信号占空比与光通量φ成线性关系，而人眼对线性变化的φ所引起的亮度变化的感觉是非线性的.因此，为实现亮度调节给人眼带来线性感受，需引入非线性校正技术，对φ进行补偿，达到人眼对光调节线性感受的目的.

1 人眼亮度感受非线性规律

国际照明委员会（The Inter national Co mmission on Ill u mination，CIE）对亮度的定义是：某一区域放射出光线的多少，用光通量来表征.亮度是一个感官量，人眼大约能分辨出80个等级的亮度.在某个环境中，人眼无法感受到亮度小于环境最高亮度百分之一的物体［2］.

人眼对亮度具有本能的非线性感受.眼睛对较低灰度的光亮变化更敏感.弱光时，光强增加一倍，人眼感觉到的增强多于一倍；强光时，光强增加一倍，人眼感觉到的增强不足一倍.只有18%光源亮度的光线，人眼感觉大约是一半的亮度.

表现在一个灯具，当其输出光通量随时间线性变化时，人眼的感受却不是线性的，在灯光微亮区，灯具很小的光通量改变也让人眼感到光强变化很大，而在光通量比较大的区域，很大的光通量跳跃，人眼感觉到的光强变化也不大.眼睛的这种自然响应与CRT显示器固有响应的反特性非常相近［3］.即：

人眼对亮度的感受 ＝ 光通量＾（1／2.2）

2 亮度感受非线性校正原理

以F表示人眼对亮度的感受，φ表示光通量

线性的亮度感受需要非线性变化的φ，由于φ与D严格线性，故线性变化的亮度感受需要遵从某种规律的非线性变化的φ，所谓的某种规律，即（线性调节对应的非线性变化）φ——人眼亮度感受的反非线性特性，映射在系统中，就是AD采样后的值A在控制PWM的占空比时（A作为查找表的地址取φ 值时），φ 值按照D ＝λA2.2的规律［4］，如图1所示，即在存储器中预先存储按反特性计算好的φ值，达到校正目的.

图1 非线性校正原理Fig.1 Nonlinear correction principle

3 利用Quartus II平台实现非线性校正

利用Quart us II平台的可参数化宏功能模块和LPM（Librar y of Para meterized Modules，参数可设置模块库）函数，可以快速实现上述LED灯控系统所需的非线性校正.

3.1 设计校正模块

校正模块由校正数据ROM、顶层设计、PWM产生电路3个部分组成.其中，顶层设计作为整体载入FPGA芯片，包含了2个部分，一个n位计数器，作为ROM的地址信号发生器；一个LPM＿ROM模块作为信号波形数据 ROM［5］.地址发生器的时钟CLK，其输入频率记为f0，每个周期的波形数据点数（取决于计数器位数n，为2n点），D／A输出的频率记为f，三者之间的关系为

3.2 定制LPM＿ROM模块的初始化数据文件（64级灰度）

根据D＝A2.2，确定ROM内的.mif（Memory Initialization File）波形数据文件，如图2所示.

图2 非线性校正曲线Fig.2 Nonlinear correction curve

取点数n＝64（64级灰度，理论最高值由AD采样位数决定），按照D＝A2.2等间距取D的64个数据，经归一化、取整处理后作为校正后的占空比数据，由于FPGA只能描述定点整数，位数越多误差越小，资源占用越多.取整后得到的最大数据为9090，如图3所示，需采用14位二进制数，数据线为14位，64个数据确定了ROM的地址线为6位.

图3 Datarom.mif文件Fig.3 Datarom.mif file

在Quart us II中选择ROM数据文件编辑窗.根据64点14位幂函数数据的情况，可选ROM的数据数Nu mber为64，数据宽Wor d size取14位.据此建立.mif数据表格.可直接在表中填写，之后保存存此数据文件，名为datar o m.mif，路径：F：＼jiaozheng＼.可在 QuartusII下查看该文件［6－7］，如图4所示.

图4 定制的存储器顶层电路Fig.4 Customized memory top circuit

在Quart us II环境下定制LPM＿ROM元件.生成存放波形数据的文件后，利用Mega Wizard－Pl ug－In Manager定制校正数据ROM宏功能块，并将以上dataro m.mif中的占空比D的数据加载于此ROM中.

在Quart us II环境下定制LPM＿ROM的RTL电路，其顶层电路如图4所示.

4 测试结果

通过嵌入式逻辑分析仪Signal Tap II获得芯片内部节点和端口的信号波形，节点Q1代表AD采样值，作为读取ROM的地址信号，利用图中的游标可以查看验证任一地址处的信号波形值，即DOUT端口的输出值［8］，更直观地显示出设计方案在芯片的运行情况，验证了非线性校正得以实现，如图5所示.

图5 Signal Tap II显示的波形Fig.5 Wavefor m in Signal Tap II

5 结论

根据LED灯具光通量和人眼感受的反非线性特性，通过FPGA查找表的控制方法，实现了非线性校正，技术手段简单易行，明显降低了灯具在调光过程中给人的非线性感觉，使人眼感受到的LED灯具多级调光均匀协调.

［1］ KURDT HONGMEE W.Design and i mplementa－tion of an FPGA－based multiple－colour LED display board［J］.Microprocessors and Microsystems，2005，29：327－336

［2］ Cree.白皮书——LED 照明系统设计手册［EB／OL］.［2010－8－27］.http：／／www.gg－led.co m／asdisp－65b095f b－130325.ht ml.

［3］ 中电网.伽玛技术在CRT电视系统中含义 ［EB／OL］.［2011－7－25］.http：／／www.eccn.com／design＿2011031513485019.ht m.

［4］ 马晓阳.LED显示屏γ校正的研究与实现［J］.电光与控制，2010，17（6）：92－96.

［5］ 琚新刚.基于SOPC技术的多通道LED灰度控制模块硬件设计［J］.河南师范大学学报2010，38（3）：74－77.

［6］ Altera International Li mited.Cyclone II Device Family Data sheet［EB／OL］.［2010－8－27］.http：／／www.altera.com.cn／literature／hb／cyc2／cyc2＿cii5v1＿01.pdf.

［7］ 维基百科.FPGA［DB／OL］.［2011－08－04］.http：／／zh.wikipedia.org／wiki／FPGA.

［8］ 潘松.EDA技术与VHDL［M］.北京：清华大学出版社.2007：9－10.