引言

相比传统的CRT显示器，液晶显示器具有轻薄、分辨率高、辐射小、能耗低等特点。在各行各业，液晶显示器大规模取代CRT显示器，但有些特殊领域需要加固处理后使用，例如航空、低温地区。通常液晶显示器工作温度是0～+55 ℃，而航空领域要求能工作在-55~+70 ℃，这就需要对普通液晶显示器进行结构、光学、电路3大块改造。这种改造就称为“加固”。这里主要介绍一款产品的电路设计实例。

1产品规格及选屏

与显示相关的设计目标规格如表1所列。根据这个目标规格选择LCD屏，在众多10.4 inch屏中1024×768分辨率的屏很少，宽视角的更少，而G104X1L01表现突出，不仅视角符合要求，对比度达到1200∶1，还有防眩光涂层，工作温度范围达到-10~ +60 ℃。

表1设计目标规格

2系统硬件设计

系统框图如图1所示。作为加固显示器的中枢神经，控制系统主要起如下作用：

① 功能性调节，如亮度、对比度、字符亮度，周边按键;

② RS422通信，将周边按键值发回主机;

③ 控温，低温时加热,温度过高时主动降温;

④ 自动亮度控制，黑夜模式、白天模式、云层模式等。

图1系统框图

2.1主控芯片电路

主控芯片，目前业内普遍采用高档FPGA，甚至用PowerPC，系统非常庞大复杂。这使得成本居高不下，而且开发周期长。本文采用ARM7微控制器和低档FPGA作为核心。

FPGA负责它擅长的图像处理，ARM7微控制器负责它擅长的高速逻辑判断处理，各司其职，达到最优化。本系统中，ARM7微控制器需要实现A/D采样、定时、串口通信、PWM输出等功能。LPC2103不但符合上述要求，而且价格低廉，具有小巧的LQFP48封装。

主流FPGA中都集成了锁相环，利用锁相环对时钟进行相位锁定，可以使电路获得更稳定的性能。Xilinx公司提供的是数字锁相环，其优点是能获得更精确的相位控制，本系统时钟为65 MHz，因此选Xilinx公司低成本、低功耗的Spartan3A系列FPGA XC3S50A 50K门阵列。

2.2ARM7核心电路

本系统的ARM7核心电路如图2所示。LPC2103的P027~P031为JTAG调试口，P02~P07（P03除外）为SPI外设存储接口，P010~P021为键盘扫描矩阵接口，A0~A2和A7为ADC采样接口，P00~P01和P08~P09为UART口。通信芯片用MAX3070E，RS422全双工。晶振采用11.0592 MHz，便于产生标准波特率。采用阻容上电复位方式。ADC基准电压为VDDA，用磁珠滤波，可减少干扰。P025引脚和FPGA连接，便于协调同步。

图2ARM7核心电路

2.3亮度调节电路

本显示器背光源采用长寿命的LED直下式背光，屏幕亮度高达1000 nits，阳光直射依然画面清晰可见（表面还配有防眩玻璃）。图3为LED恒流驱动电路。LED恒流驱动器选用MAX16803。P016送来PWM调光信号，LED_CTRL送开关信号。需注意LED串起来的工作电压值和输入电压值接近为佳。每串LED最好配以电阻再和其他串并联以平衡电流，提高可靠性。

图3LED恒流驱动电路

2.4温度调节电路

ITO加热玻璃和高精度热敏电阻都放置在液晶玻璃下面，A0端口采集热敏电阻上的电压，转换为温度值，判断是否需要加热及开启软件以主动降低功耗。A1端口输出0~100%占空比给MOS管，控制加热电源通断，缓慢脉冲式加热防止玻璃温度剧烈变化破裂。另加热回路串有温度继电器，过温后断开加热电源，防止过热。在加热器启动的同时以亮度渐变式打开LED背光源，其28 W功率能辐射及传导大量热量给周边器件。

2.5图像调节电路

通过前面板的按键控制对比度高低。如图4所示，选用Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50A。输入LVDS为RX，输出LVDS为TX，配置电阻为100 Ω，CON_UP和CON_DOWN为按键输入。配置芯片选用AT45DB011。

图4FPGA电路3软件设计

控制板软件由对比度处理程序、亮度调节程序、温度控制程序、通信程序4部分组成。对比度处理处理程序实现LVDS解码、编码、动态对比度等功能，是软件程序的难点。亮度调节、温度控制、通信属ARM7程序，为用户逻辑处理单元，是整个系统的重点。

3.1对比度处理程序

对比度算法很多，例如8位图像灰度等级为256级，设中间值为128。提取输入画面的平均灰度值M，对比度增加则调整新的M值，让它和128之间的差值增加；对比度减小则调整新的M值，让它和128之间的差值减小。这个算法容易引起画面失真，现对该算法进行改进。G为灰度值，Mean为中间灰度，N为对比度。

对比度增加：

为避免出现亮饱和及暗饱和，G′取值范围为[0,255]。检测到对比度按键，先将LVDS串行解码变成并行RGB信号，然后提取中间灰度，再套用上述公式处理。同时，进行LVDS编码并送到LCD显示。图像处理流程如图5所示。

图5图像处理流程

动态背光源处理：收到ARM7微控制器的节能指令后，对于亮度大于150的画面，需提高对比度，发送指令给ARM7微控制器，用PWM相应降低LED背光源亮度。

3.2ARM7程序

ARM7微控制器起到管理全局的作用，利用它丰富的I/O口和A/D转换功能处理外设的命令请求。初始化完成后，进行温度检测，如低于-8 ℃则开始脉冲预热再完成脉冲加热，若高于-4 ℃则停止加热，温度继电器在0 ℃时断开加热电源。若温度高于55 ℃，根据画面灰度动态调节背光源亮度，适当提高对比度，降低背光源亮度，从而降低系统功耗，减少热源。

串口通信将本机地址和按键值发送给主机，同时接收主机指令。通信采取4个字节头加一个字节和校验字节，防止通信错误。

通过光敏电阻采集环境亮度，若是黑暗环境，则降低背光亮度。进入云层有两个问题要注意：

① 短暂进入云层，亮度最好不变，否则会忽闪忽闪的。

② 不能突然变暗，需渐变处理，变亮渐变要快。

温度检测和亮度检测都用到A/D采样，由于工作环境中存在各种电磁干扰，多需进行软件滤波处理。滤波算法很多，例如算术平均滤波、中位值平均滤波、限幅算术平均滤波等。我们希望得到的是稳态的值，故采用限幅算术平均滤波法。先限定一个范围，超过这个范围的值舍去，重新采样，将合格的值求平均。这种算法虽然反应慢，但能维持稳态，提高可靠度。

4PCB布板及测试

FPGA布板如图6所示。FPGA的布板难度大一些，注意电源滤波电容靠近IC，顶层和底层铺铜打孔相连，差分线匹配电阻靠近IC。产品还需涂防水漆，防止结露水损坏器件，在实测中也发生过接头结露烧毁保险丝的情况。经测试，产品能在-50~+55 ℃冷热冲击箱内稳定工作（每个阶段稳定3 min）。对比度调节画面效果良好，达到目标。8

图6FPGA布板

结语

本文详细介绍了加固显示器控制电路的设计方法以及注意事项。采用低成本架构取代老方案，并引入LED背光源辅助加热、动态背光源降低功耗的思想。该电路初步测试基本符合要求，限于实验室条件，其他相关测试未完全实现。实际工作环境更为恶劣，该电路尚有待进一步改进。