琚新剛，勾占鋒，孫 華

（1.河南教育學院 電路與系統(tǒng)重點學科組，河南 鄭州450046；2.鄭州師范學院 信息科學與技術學院，河南 鄭州450044；3.鶴壁職業(yè)技術學院 電子信息工程系，河南 鶴壁458030）

0 引言

LED新型照明光源，節(jié)能、壽命長、控制靈活，其應用范圍日益廣泛.LED亮度調節(jié)通常采用PWM數字調光機制［1］，由于PWM信號占空比與光通量φ成線性關系，而人眼對線性變化的φ所引起的亮度變化的感覺是非線性的.因此，為實現(xiàn)亮度調節(jié)給人眼帶來線性感受，需引入非線性校正技術，對φ進行補償，達到人眼對光調節(jié)線性感受的目的.

1 人眼亮度感受非線性規(guī)律

國際照明委員會（The Inter national Co mmission on Ill u mination，CIE）對亮度的定義是：某一區(qū)域放射出光線的多少，用光通量來表征.亮度是一個感官量，人眼大約能分辨出80個等級的亮度.在某個環(huán)境中，人眼無法感受到亮度小于環(huán)境最高亮度百分之一的物體［2］.

人眼對亮度具有本能的非線性感受.眼睛對較低灰度的光亮變化更敏感.弱光時，光強增加一倍，人眼感覺到的增強多于一倍；強光時，光強增加一倍，人眼感覺到的增強不足一倍.只有18%光源亮度的光線，人眼感覺大約是一半的亮度.

表現(xiàn)在一個燈具，當其輸出光通量隨時間線性變化時，人眼的感受卻不是線性的，在燈光微亮區(qū)，燈具很小的光通量改變也讓人眼感到光強變化很大，而在光通量比較大的區(qū)域，很大的光通量跳躍，人眼感覺到的光強變化也不大.眼睛的這種自然響應與CRT顯示器固有響應的反特性非常相近［3］.即：

人眼對亮度的感受 ＝ 光通量＾（1／2.2）

2 亮度感受非線性校正原理

以F表示人眼對亮度的感受，φ表示光通量

線性的亮度感受需要非線性變化的φ，由于φ與D嚴格線性，故線性變化的亮度感受需要遵從某種規(guī)律的非線性變化的φ，所謂的某種規(guī)律，即（線性調節(jié)對應的非線性變化）φ——人眼亮度感受的反非線性特性，映射在系統(tǒng)中，就是AD采樣后的值A在控制PWM的占空比時（A作為查找表的地址取φ 值時），φ 值按照D ＝λA2.2的規(guī)律［4］，如圖1所示，即在存儲器中預先存儲按反特性計算好的φ值，達到校正目的.

圖1 非線性校正原理Fig.1 Nonlinear correction principle

3 利用Quartus II平臺實現(xiàn)非線性校正

利用Quart us II平臺的可參數化宏功能模塊和LPM（Librar y of Para meterized Modules，參數可設置模塊庫）函數，可以快速實現(xiàn)上述LED燈控系統(tǒng)所需的非線性校正.

3.1 設計校正模塊

校正模塊由校正數據ROM、頂層設計、PWM產生電路3個部分組成.其中，頂層設計作為整體載入FPGA芯片，包含了2個部分，一個n位計數器，作為ROM的地址信號發(fā)生器；一個LPM＿ROM模塊作為信號波形數據 ROM［5］.地址發(fā)生器的時鐘CLK，其輸入頻率記為f0，每個周期的波形數據點數（取決于計數器位數n，為2n點），D／A輸出的頻率記為f，三者之間的關系為

3.2 定制LPM＿ROM模塊的初始化數據文件（64級灰度）

根據D＝A2.2，確定ROM內的.mif（Memory Initialization File）波形數據文件，如圖2所示.

圖2 非線性校正曲線Fig.2 Nonlinear correction curve

取點數n＝64（64級灰度，理論最高值由AD采樣位數決定），按照D＝A2.2等間距取D的64個數據，經歸一化、取整處理后作為校正后的占空比數據，由于FPGA只能描述定點整數，位數越多誤差越小，資源占用越多.取整后得到的最大數據為9090，如圖3所示，需采用14位二進制數，數據線為14位，64個數據確定了ROM的地址線為6位.

圖3 Datarom.mif文件Fig.3 Datarom.mif file

在Quart us II中選擇ROM數據文件編輯窗.根據64點14位冪函數數據的情況，可選ROM的數據數Nu mber為64，數據寬Wor d size取14位.據此建立.mif數據表格.可直接在表中填寫，之后保存存此數據文件，名為datar o m.mif，路徑：F：＼jiaozheng＼.可在 QuartusII下查看該文件［6－7］，如圖4所示.

圖4 定制的存儲器頂層電路Fig.4 Customized memory top circuit

在Quart us II環(huán)境下定制LPM＿ROM元件.生成存放波形數據的文件后，利用Mega Wizard－Pl ug－In Manager定制校正數據ROM宏功能塊，并將以上dataro m.mif中的占空比D的數據加載于此ROM中.

在Quart us II環(huán)境下定制LPM＿ROM的RTL電路，其頂層電路如圖4所示.

4 測試結果

通過嵌入式邏輯分析儀Signal Tap II獲得芯片內部節(jié)點和端口的信號波形，節(jié)點Q1代表AD采樣值，作為讀取ROM的地址信號，利用圖中的游標可以查看驗證任一地址處的信號波形值，即DOUT端口的輸出值［8］，更直觀地顯示出設計方案在芯片的運行情況，驗證了非線性校正得以實現(xiàn)，如圖5所示.

圖5 Signal Tap II顯示的波形Fig.5 Wavefor m in Signal Tap II

5 結論

根據LED燈具光通量和人眼感受的反非線性特性，通過FPGA查找表的控制方法，實現(xiàn)了非線性校正，技術手段簡單易行，明顯降低了燈具在調光過程中給人的非線性感覺，使人眼感受到的LED燈具多級調光均勻協(xié)調.

［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

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［3］ 中電網.伽瑪技術在CRT電視系統(tǒng)中含義 ［EB／OL］.［2011－7－25］.http：／／www.eccn.com／design＿2011031513485019.ht m.

［4］ 馬曉陽.LED顯示屏γ校正的研究與實現(xiàn)［J］.電光與控制，2010，17（6）：92－96.

［5］ 琚新剛.基于SOPC技術的多通道LED灰度控制模塊硬件設計［J］.河南師范大學學報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］ 維基百科.FPGA［DB／OL］.［2011－08－04］.http：／／zh.wikipedia.org／wiki／FPGA.

［8］ 潘松.EDA技術與VHDL［M］.北京：清華大學出版社.2007：9－10.