基于嵌入式激光顯示手持式測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)激光顯示光色性能的精確檢測(cè)，具體了解激光顯示是否合乎相應(yīng)的要求，從而達(dá)到修正設(shè)計(jì)的目的。利用激光波長(zhǎng)固定的特點(diǎn)，基于ATmega128單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種專門針對(duì)激光顯示光色性能的新型測(cè)試系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了光通量、照度均勻度、色度均勻度、對(duì)比度等主要光色性能的測(cè)試。與目前各類檢測(cè)系統(tǒng)相比，本測(cè)量?jī)x采用獨(dú)特的測(cè)試方法，精度高。系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果證明，該單點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)可以低成本地實(shí)現(xiàn)光色性能的便攜式且高精度測(cè)量，并可以移動(dòng)地實(shí)現(xiàn)光通量、照度均勻度、色度均勻度、對(duì)比度等主要光色性能的精確測(cè)試。
關(guān)鍵詞：激光顯示；單片機(jī)；ATmage128；光色性能；手持終端

0 引言
    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(guó)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(cè)也顯得越發(fā)重要。然而，目前的各類光色性能的檢測(cè)系統(tǒng)以及各類色度照度計(jì)，其測(cè)量目標(biāo)主要還是針對(duì)具有較寬光譜范圍的非相干光源，同時(shí)存在成本昂貴、檢測(cè)精度不高的缺點(diǎn)。
    本文針對(duì)顯示用激光光源波長(zhǎng)固定的特點(diǎn)，在獲得精確被測(cè)光源對(duì)應(yīng)的光電流值的情況下，只要給出被測(cè)光源的特定波長(zhǎng)相對(duì)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(cè)光源的光功率分布，進(jìn)而獲得該被測(cè)光的光色性能的光通量、對(duì)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(jì)了激光顯示的手持式光色性能測(cè)量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了激光投影系統(tǒng)的光色性能測(cè)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(chǎng)合。

1 測(cè)試原理
    本測(cè)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(shí)只要得到輸出光電流與所述被測(cè)光的光功率分布的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可以得到被測(cè)光的光功率，并由光功率通過相應(yīng)的公式計(jì)算出相應(yīng)激光投影的光色性能參數(shù)。
    測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)換系數(shù)是在光色性能測(cè)量之前事先被確定的，并被記錄在一個(gè)表格中。方法是利用光功率計(jì)測(cè)量出被測(cè)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(zhǎng)位置光的光功率分布，就能計(jì)算出各個(gè)波長(zhǎng)位置的光所對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出光電流與各波長(zhǎng)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(cè)光的光功率分布計(jì)算公式：
   
    在對(duì)激光顯示的光色性能進(jìn)行測(cè)量的過程中，根據(jù)被測(cè)光的特定波長(zhǎng)，通過查找該表格，即可以選擇對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)為九個(gè)單元，下面將對(duì)九個(gè)單元分別做出介紹。

    中央處理單元U1是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，其芯片的選擇將影響到整個(gè)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(gè)時(shí)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(shí)，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(hào)和讀取該光電轉(zhuǎn)換裝置U4輸出的被測(cè)光所對(duì)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(jì)算光色性能的各測(cè)試參數(shù)和將參數(shù)結(jié)果送到顯示單元。[!--empirenews.page--]
    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RS 232C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(gè)問題：其一是AVR的USART本身只配了TXD，RXD兩根信號(hào)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(jì)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(shí)，省去了專門的編程設(shè)備對(duì)器件進(jìn)行單獨(dú)編程的環(huán)節(jié)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。而且在利用ISP技術(shù)進(jìn)行功能修改時(shí)，能夠在不從系統(tǒng)中取下器件的情況下直接對(duì)芯片進(jìn)行重新編程，因而設(shè)計(jì)調(diào)整驗(yàn)證十分方便，可及時(shí)處理那些設(shè)計(jì)過程中無法預(yù)料的邏輯變動(dòng)，可大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試周期。
    光電轉(zhuǎn)換裝置U4用于獲得被測(cè)光在測(cè)試點(diǎn)對(duì)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(duì)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(dòng)完成A／D轉(zhuǎn)換，且最大可測(cè)光照度可調(diào)，因此，整個(gè)過程可得到簡(jiǎn)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(shí)鐘晶振?？紤]到ATmega128內(nèi)部時(shí)鐘晶振的不精確性，故采用精確性好的4 MHz外部時(shí)鐘晶振。
    普通無源按鍵U8，用于光源波長(zhǎng)等數(shù)據(jù)的輸入，是手持式測(cè)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(shí)性，靜止的顯示上次測(cè)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(cè)試系統(tǒng)電路如圖3所示。

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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(shí)進(jìn)行。

    手持測(cè)試裝置的界面采用C#編寫的圖形用戶界面，是得到測(cè)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(cè)試后，其測(cè)試結(jié)果將顯示在相應(yīng)的表格里。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了針對(duì)激光顯示的手持式測(cè)量?jī)x，并利用光源波長(zhǎng)單一，漂移小等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了激光顯示的高精度測(cè)量，在參考標(biāo)準(zhǔn)精度為0．1％的情況下，預(yù)計(jì)其精度可達(dá)到1％以下，此精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家要求的4％的標(biāo)準(zhǔn)。
    該測(cè)量?jī)x克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，在測(cè)試前無需對(duì)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(cè)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(cè)量，并可以移動(dòng)地實(shí)現(xiàn)光通量、照度均勻度、色度均勻度、對(duì)比度等主要光色性能的精確測(cè)試。