基于7110的彩电白平衡自动调整系统的设计与实现
2008-07-29
作者：徐 鑫 康 波 吕炳朝
摘 要： 通过对白平衡" title="白平衡">白平衡原理的分析，介绍了基于7110 CRT色彩分析仪" title="色彩分析仪">色彩分析仪的白平衡自动调整系统的组成及原理，并从软硬件两方面给出了实现的方法和具体算法。经生产运行表明，该系统工作稳定、可靠，大大提高了电视机的生产质量，为企业带来可观的经济效益。
关键词： 白平衡 I2C总线 彩色电视机 7110 CRT 色彩分析仪
白平衡是彩色电视机质量的一个重要指标，而白平衡调整是彩电生产过程中的关键工序之一，它关系到彩电的色彩是否真实重现所要显示对象的原色彩。每台彩电出厂前都要用白平衡调整仪将其白平衡调整至规定的出厂标准。采用致茂公司生产的7110 CRT色彩分析仪集成的白平衡自动调整系统，在PC机的控制下，通过I2C总线进行数据传输，具有调整质量高、调整速度快等特点，完全满足彩电批量生产的需要。
1 白平衡原理分析
白平衡调整，其目的是当彩色电视机在接收黑白图像信号或彩色图像中的黑白部分时，尽管屏幕上三基色荧光粉都在发光，但在适当的距离外观看时，在任何对比度下能呈现黑白图像，而不显示出任何其它色彩[1]。这不仅是黑白兼容的要求，而且也是获得正确的彩色图像的先决条件。但实际上，三基色荧光粉的发光效率是不相同的，而且，三个电子束的控制特性的截止点和斜率也是不完全相同的。所以，在生产过程中，必须进行白平衡调整。
白平衡调整通常分两个步骤，即暗平衡调整和亮平衡调整。为了说明调整原理，先对三基色原理进行简单介绍。
1.1 三基色原理
三基色原理是彩色电视的最基本原理之一。利用这一原理，基本上可以模拟出自然界的各种彩色。例如：
红色（R）+绿色（G）=黄色（Y）
红色（R）+蓝色（B）=紫色（M）
绿色（G）+蓝色（B）=青色（C）
当红、绿、蓝三色同时混合时，一般得到较淡的颜色，如淡青、淡紫、淡黄及淡绿等。当三者比值合适时，又可以获得白色，即为：
红（R）+绿（G）+蓝（B）=白色（W）
当R、G、B三色混合比例保持不变，而只是各自的亮度按同一比例增加或减少时，所混合成的颜色不变，但合成色的亮度也按同一比例增加或减少。把利用这三基色相混合得到全部彩色的原理称为三基色原理[1]。
1.2 暗平衡调整
由于制造工艺的不同，即使各电子枪所加电压一样，三条电子束的控制特性也不可能完全一样。图1（a）给出了白平衡调整前三条电子束的调制特性曲线，这里假设三个电子枪所加电压完全相同。从中可以看出三电子束控制特性的截止点和斜率均不一样，从t1到t2期间，因为只有红电子束流，故在显像管屏幕上只发出很暗的红光；从t2到t3期间，由于红、蓝两电子束都已有电流，故显像管发出暗紫色；从t3开始，由于三基色都存在，故发出的光接近白色。可见，在低亮度区域中由于起始栅偏压不一致不能正确显示出暗灰色，而是被淡淡地染上一层彩色。
为了校正这种效应，就必须设法使三电子束的起始栅偏压一致。常用的办法是调整显像管三个控制极的静态偏置电压（单枪三束管）或三个加速极电压（三枪三束管）使三条电子束相对应的阴栅极控制性曲线Ib/ Vg具有相同的截止点，如图1（b）所示。这样，就能满足三个电子枪在t1时刻同时导通，消除了暗区出现彩色的可能性而获得白平衡。
1.3 亮平衡调整
通过暗平衡调整，实现了低亮度时的白平衡，但由于斜率不同和荧光粉发光特性不同，所以在高亮场时仍不为纯白色而带有彩色[1]。因此，还必须调整三个电子束阴极的激励信号电平，以使高亮度时得到白平衡。如果以R信号幅度为基准，则调整G、B信号幅度，补偿调制特性曲线斜率的不同和荧光粉的发光效率的差异引起的失真。白平衡调整后，特性曲线的斜率应该一致。如图1（c）所示。
2 系统组成
2.1 系统组成框图
由7110 CRT色彩分析仪集成的I2C总线白平衡自动调整系统由工控机" title="工控机">工控机、7110色彩分析卡、视频信号卡" title="信号卡">信号卡、射频调制器、测色镜头、彩色电视机、I2C总线以及自动调整软件等组成。整个系统的结构如图2所示。
2.2 硬件功能简介
2.2.1 7110色彩分析仪
Chroma Model 7110 CRT色彩分析仪是一种以PC-based为设计出发点，测量彩色电视及CRT监视器色彩成分因子及白平衡的多功能仪器。它可以提供CRT及监视器在生产过程中的亮度及色彩测量控制作业，如亮度、色纯度、白平衡等各种测试项目，并以板卡的形式与PC 16-bit AT-ISA bus兼容，连接自身所带的测色镜头，在使用者、PC机与电视机之间，构成一个完善的视讯显示测试系统。
该仪器同时拥有xyY、TΔuvY、u′v′Y、RGB四种不同的可切换的色度坐标系统（本自动测试系统采用RGB模式），可适用于各种不同场合的测试需求。在实际的白平衡测试过程中，使用者可搭配视频信号卡（白场信号发生器），结合自动测试软件，整合成一套由PC机控制的自动白平衡调整系统，进行TV生产测试和QC等应用。
2.2.2 视频信号卡和射频调制器
视频信号卡与PC 16-bit AT-ISA bus兼容，能产生调整所需的高、低亮度白场视频信号。在调整过程中，由于R、G、B数据的不断变化，白场信号的亮度也随之变化。在PC机调整软件的控制下，视频信号卡产生白场信号的亮度会自动调整到标准值。该视频信号经射频调制器调制成射频信号，通过AV端子向彩电提供需要测量的白场信号，并由CRT显像管显示出来，供测试之需。
2.2.3 I2C总线简介
I2C总线是Philips公司推出的一种串行总线。其特点是结构简单，只用两根信号线即可实现寻址、数据双向传送及各种控制功能[2]。这两根信号线一根是数据线（SDA），一根是时钟线（SCL）。所有带有I2C总线接口的器件，均可直接挂到这两根线上，实现器件间的数据双向传输。
通过I2C总线，数据写入IC器件的时序如图3所示。
在白平衡调整时，首先通过I2C总线输入电视机IC器件地址，共7个字节；接着一个字节表示此操作是读操作还是写操作（图3表示写操作）；8个字节传输后，IC器件收到信息后反馈一个ACK应答信号。ACK之后输入副地址，同样在正确接收信息后返回一个ACK应答信号；最后输入一个字节的数据，结束写入数据操作[3]。同理，数据读出时，只需将指令由写操作改为读操作即可。数据读出的时序如图4所示。
2.2.4 工控机
工控机（586CPU）是整个系统的心脏，利用自主研发的自动调整软件，控制视频信号产生的白场信号高、低亮度的变化，并读取7110色彩分析仪测得的R、G、B值，通过一定算法修改电视机IC器件的颜色参数控制寄存器和E2PROM中的颜色参数存储单元" title="存储单元">存储单元内容，从而控制整个白平衡调整系统自动有序地工作。
2.3 软件设计
白平衡调整中的光学数据采集、数据处理、算法实现、I2C总线的数据传输控制、白平衡调整的自动循环等，均通过586工控机执行调整软件来进行运算和控制。本自动调整软件采用Borland C++语言编写，程序具有Windows风格，操作非常简单。操作界面包括仪器的校零、器件地址、E2PROM地址、基准枪、初始值的设定等功能，能方便地切换到其他机型，有效地避免了换一种机型换一个软件的时间和人力资源的浪费。
下面以某机芯为例来说明软件的实现流程：该机芯以红枪（R）为基准枪，在红枪数据（R）不变的情况下，调整G和B两枪的控制参数，使彩色电视机达到白平衡。在进行白平衡调整时，程序首先读取E2PROM颜色参数存储单元的预置值，接着读取7110色彩分析仪通过测色镜头测得的高、低亮度值和R、G、B值。如果亮度值与亮度标准值不一致，则先根据误差的大小和正负改变亮度控制值的大小并调整方向，将调整后的高、低亮度控制值写入视频信号卡，控制高、低亮度达到亮度标准值；如果测得的R、G、B值与R、G、B标准值不一致，则根据误差的大小和正负修正上一次得到的RCUTOFF、GCUTOFF、BCUTOFF、GDRIVE、BDRIVE的值，然后把R、G、B的调整值写入IC的颜色参数控制寄存器。这样重复循环即可完成白平衡自动调整，最后一次的调整数据写入E2PROM。程序的简化流程框图如图5所示。
3 7110实现白平衡自动调整的过程
在进行白平衡调整时，由于使用IC器件的不同，有两种进入调整状态的方式：按遥控器“BUS OFF”键，或由PC机控制由I2C总线插头的另一根BUS线向被调整电视机提供低电平触发信号。对于使用遥控器进入工厂调整模式的被调电视机，在写入E2PROM后即退出工厂调整模式，而对于用低电平触发方式进入工厂调整模式的电视机，则要求白平衡调整完毕后将此信号恢复为高电平，使电视机的MCU恢复其对E2PROM的控制。下面仍以红枪为基准，通过其余两枪的调整来说明自动调整的整个过程。
在调整准备工作完成后，操作者连接射频信号线到电视AV端子，加上白场信号；启动脚踏开关，推进测色镜头充分接触彩电屏幕；把I2C总线的5芯插头插入机芯板上的I2C插座。此后的工作由程序自动完成：由PC控制拉低BUS控制线，夺取对I2C总线的控制权，从而使彩电进入工厂调整模式，电视屏幕上有“BUS OFF”提示；程序读取E2PROM中的颜色参数存储单元初始数据，收到ACK信号后，表示总线插头和插座已经导通，可以进行数据读写工作；然后计算机从7110色彩分析仪中取得低亮及高亮的R、G、B值，使其与R、G、B标准值进行比较，若小于标准值则按照一定的步长增加，将调整后的R、G、B值对应的高、低亮调整数据通过数据总线（SDA）写入IC器件的颜色参数控制寄存器，反之则将比原值小的高、低亮调整数据写入IC器件寄存器，此时电视机屏幕颜色中的R、G、B值随之改变，再由测色镜头将其R、G、B值传送回计算机进行比较，同时程序调整高、低亮度至亮度标准值，这样反复循环直至与标准值之差在允许范围内即为合格。然后将最后一次得到的R、G、B值写入E2PROM。最后，程序控制拉高BUS控制线，释放I2C总线，电视屏幕上显示“BUS OPEN”。此后，操作者拔掉总线插头，再次启动脚踏开关，测色镜头撤离电视屏幕，白平衡调整完成。整个调整过程除辅助工作由操作者执行外，其余均由PC机控制自动完成，所花时间一般在10s以内，因而效率较高。
本白平衡自动调整系统，具有调整速度快、调整精度高等特点。经生产线实际使用后，反映效果良好。调整一台彩电的白平衡需要7～10s，加上操作人员辅助时间，通过一台彩电共需要20s左右。它不仅大大降低了调试人员的劳动强度，而且充分保证了彩电白平衡调整的准确度和一致性，使彩电生产效率和质量得到明显提高。
参考文献
1 王明臣.彩色电视原理[M].北京：中国广播电视出版社，1991
2 Chen David Y.I2C总线的概念及其规范 [M].上海飞利浦技术应用实验室，1992
3 王 军.白平衡调整自动化的实现[J].电视技术，1999；9（207）：59～60