基于嵌入式激光顯示手持式測量儀方案

　　激光顯示是以紅、綠、藍(lán)（RGB）三基色激光為光源的顯示技術(shù)，可以最真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界豐富、艷麗的色彩，提供更具震撼的表現(xiàn)力。我國激光顯示研發(fā)的最終目標(biāo)是在未來的幾年內(nèi)將激光顯示技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化。在這樣的背景下，激光顯示系統(tǒng)的光色性能的檢測也顯得越發(fā)重要。然而，目前的各類光色性能的檢測系統(tǒng)以及各類色度照度計，其測量目標(biāo)主要還是針對具有較寬光譜范圍的非相干光源，同時存在成本昂貴、檢測精度不高的缺點(diǎn)。

　　本文針對顯示用激光光源波長固定的特點(diǎn)，在獲得精確被測光源對應(yīng)的光電流值的情況下，只要給出被測光源的特定波長相對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，就能獲得精確的被測光源的光功率分布，進(jìn)而獲得該被測光的光色性能的光通量、對比度、均勻度等參數(shù)?；谏鲜隼碚?，本文結(jié)合單片機(jī)設(shè)計了激光顯示的手持式光色性能測量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了激光投影系統(tǒng)的光色性能測量，成本低，精度高；由于是手持式設(shè)備，更易于攜帶，而且也適用于更多的場合。

　　1 測試原理

　　本測試裝置采用顏色傳感器感應(yīng)投影激光投影屏幕的光電流，此時只要得到輸出光電流與所述被測光的光功率分布的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可以得到被測光的光功率，并由光功率通過相應(yīng)的公式計算出相應(yīng)激光投影的光色性能參數(shù)。

　　測量時，轉(zhuǎn)換系數(shù)是在光色性能測量之前事先被確定的，并被記錄在一個表格中。方法是利用光功率計測量出被測激光的光功率，再用該激光照射光電轉(zhuǎn)換裝置，讀出該光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出數(shù)字電壓值；接著，基于已知的波長位置光的光功率分布，就能計算出各個波長位置的光所對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出光電流與各波長位置的光功率分布之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。限于篇幅，這里只列出被測光的光功率分布計算公式：

　　在對激光顯示的光色性能進(jìn)行測量的過程中，根據(jù)被測光的特定波長，通過查找該表格，即可以選擇對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

　　2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，本測試系統(tǒng)設(shè)計為九個單元，下面將對九個單元分別做出介紹。

　　中央處理單元U1是整個測試系統(tǒng)的核心，其芯片的選擇將影響到整個系統(tǒng)的性能。經(jīng)過比較，ATmega128單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，133條指令，大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；具有128 KB在線可重復(fù)編程FLASH，4 KB E2PROM以及4 KB的內(nèi)部SRAM；32×8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時，性能高達(dá)16 MIPS。綜上所述，考慮到ATmage128功能強(qiáng)、成本低、速度快、接口多的特點(diǎn)，選擇其作為中央處理單元U1，來輸出光電轉(zhuǎn)換裝置的控制信號和讀取該光電轉(zhuǎn)換裝置U4輸出的被測光所對應(yīng)的各光電流值，并根據(jù)光電流值及該光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)計算光色性能的各測試參數(shù)和將參數(shù)結(jié)果送到顯示單元。

　　數(shù)據(jù)傳送單元U2采用RS 232，以將ATmega128中的數(shù)據(jù)傳送至PC；由于AVR的USART本身并不是標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，因此，在電路上還需做一定的轉(zhuǎn)換才能與PC機(jī)通信，主要應(yīng)解決兩個問題：其一是AVR的USART本身只配了TXD，RXD兩根信號線；其二是AVR的USART本身的輸出是TTL／CMOS兼容的電平，采用的是正邏輯。

　　因此，利用MAX232為電平轉(zhuǎn)換芯片來設(shè)計電平邏輯轉(zhuǎn)換電路與PC機(jī)通信。

　　程序下載接口U3采用ISP來用于ATmega128程序的下載。由于采用了ISP技術(shù)，所以，在用器件實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能時，省去了專門的編程設(shè)備對器件進(jìn)行單獨(dú)編程的環(huán)節(jié)，從而簡化了設(shè)計過程。而且在利用ISP技術(shù)進(jìn)行功能修改時，能夠在不從系統(tǒng)中取下器件的情況下直接對芯片進(jìn)行重新編程，因而設(shè)計調(diào)整驗(yàn)證十分方便，可及時處理那些設(shè)計過程中無法預(yù)料的邏輯變動，可大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試周期。

　　光電轉(zhuǎn)換裝置U4用于獲得被測光在測試點(diǎn)對應(yīng)的光電流值。它采用圓筒狀結(jié)構(gòu)，圓筒頂部設(shè)置有漫光片（漫光片的作用是對探頭的光譜匹配進(jìn)行修正），數(shù)字光敏芯片S9706設(shè)置在圓筒底部。由于S9706是高性能多波段感光芯片，可自動完成A／D轉(zhuǎn)換，且最大可測光照度可調(diào)，因此，整個過程可得到簡化。圖2為光電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖。

　　顯示單元U5選用NOKIA 5110點(diǎn)陣LCD，體積小，采用串口與單片機(jī)通信，串口速率高達(dá)4 b／s。

　　供電單元U6為U1，U2，U4，U5，U7供電，它可將鋰電池3.7 V電壓轉(zhuǎn)換到3.3 V的工作電壓。

　　U7為外部時鐘晶振?？紤]到ATmega128內(nèi)部時鐘晶振的不精確性，故采用精確性好的4 MHz外部時鐘晶振。

　　普通無源按鍵U8，用于光源波長等數(shù)據(jù)的輸入，是手持式測量裝置的輸入部分。

　　中斷按鍵包括菜單按鍵，可與中央處理單元模塊普通I／O口相連，用于一些參數(shù)的查看和功能的設(shè)置；模式選擇按鍵MODE與中央處理單元模塊中斷輸入口相連，用于不同制式之間的切換選擇；消除環(huán)境光干擾按鍵ZERO與中央處理單元中斷輸入口相連，用于消除環(huán)境光的干擾；靜止按鍵HODE與中央處理單元中斷輸入口相連，用于停止裝置的實(shí)時性，靜止的顯示上次測試的結(jié)果；菜單按鍵MENU與中央處理單元中斷輸入口相連，用于打開菜單。測試系統(tǒng)電路如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)工作流程

　　軟件程序分為單片機(jī)ATmega128端和手持終端界面；前者利用CVAVR用C編寫程序，將光電轉(zhuǎn)換裝置輸入的光電流按照一定的算法進(jìn)行處理，并顯示結(jié)果。具體軟件流程圖如圖4所示，其中例程1和例程2將同時進(jìn)行。

　　手持測試裝置的界面采用C#編寫的圖形用戶界面，是得到測試光色參數(shù)的直接途徑，用戶通過按鍵選擇相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行測試后，其測試結(jié)果將顯示在相應(yīng)的表格里。

　　4 結(jié)語

　　本文設(shè)計了針對激光顯示的手持式測量儀，并利用光源波長單一，漂移小等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了激光顯示的高精度測量，在參考標(biāo)準(zhǔn)精度為0.1％的情況下，預(yù)計其精度可達(dá)到1％以下，此精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家要求的4％的標(biāo)準(zhǔn)。

　　該測量儀克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，在測試前無需對光電轉(zhuǎn)換裝置的光譜靈敏度曲線與標(biāo)準(zhǔn)顏色匹配曲線進(jìn)行擬合，這在很大程度上實(shí)現(xiàn)了低成本。系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果證明，該單點(diǎn)測試系統(tǒng)可以低成本實(shí)現(xiàn)光色性能的便攜式高精度測量，并可以移動地實(shí)現(xiàn)光通量、照度均勻度、色度均勻度、對比度等主要光色性能的精確測試。

參考文獻(xiàn):

[1].ATmega128datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ATmega128_144651.html.
[2].RISCdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3].TTLdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[4].MAX232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.
[5].S9706datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/S9706_1146456.html.