基于PWM理論的駕駛室調(diào)光設(shè)計(jì)

張乃文 包磊

摘? ? 要：本文使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）方法，利用駕駛室調(diào)光裝置進(jìn)行背光調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)脈沖的高電平的時(shí)間（LED的導(dǎo)通時(shí)間）占空比來改變 LED背光亮度，對(duì)駕控臺(tái)控制單元及周邊設(shè)備背光亮度進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，使駕駛室內(nèi)各設(shè)備的屏幕顯示和背光亮度能快速響應(yīng)和滿足不同光線環(huán)境下的航行要求。然后，從光的亮度范圍、光源的選擇、眩光的控制方法、輔助照明的亮度等方面，闡述了駕駛艙光環(huán)境設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)狀和意義。

關(guān)鍵詞：駕駛室;調(diào)光;PWM

中圖分類號(hào)：S969.33 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In this paper， PWM （pulse width modulation） method is used to adjust backlight by wheel house dimming device. By adjusting the duty cycle of the high level time of the pulse （the conduction time of the LED）， that is， the brightness shift transformation， and then the backlight brightness of the control unit and the peripheral equipment is adjusted uniformly， so that the screen displays and backlight brightness of each equipment in the wheel house can respond quickly and meet the navigation requirements in different light environments. Then， the present situation and significance of wheel house light environment design are expounded from the aspects of the brightness range of light， the selection of light source， the control method of glare， the brightness of auxiliary lighting and so on. The future development of the light environment design for wheel house is expected.

Key words： Wheel house; Diming; PWM

1? ? 引言

船舶航行最重要的控制艙室為駕駛室，它是全船協(xié)同各系統(tǒng)行駛的中樞。 隨著自動(dòng)化程度的提高和駕駛室控制及報(bào)警設(shè)備增加，駕駛室的光環(huán)境更加復(fù)雜。 在提高行駛效率的同時(shí)，夜航時(shí)指示燈光和背光的調(diào)光問題也丞待解決。 合理科學(xué)的駕駛室燈光環(huán)境設(shè)計(jì)，可以提高導(dǎo)航的安全性和可靠性，特別是在駕駛員的心理和視覺方面發(fā)揮積極的引導(dǎo)作用[1]。

2? ? 駕駛室光環(huán)境影響因素

駕駛室內(nèi)發(fā)光的屏幕、按鈕較多 ，整體光環(huán)境受到如下因素的影響：

（1）顯示屏幕

隨著現(xiàn)代造船信息化、自動(dòng)化和智能化水平的日益增高，大量的綜合信息顯示設(shè)備配有大尺寸、高亮度的顯示屏幕，容易給夜間航行產(chǎn)生光污染;

（2）指示燈光

信息高度集成化是船舶駕駛室的特征，設(shè)備上的指示開關(guān)和報(bào)警信息、車鐘檔位、設(shè)備開啟復(fù)位及運(yùn)行狀態(tài)等顯示的顏色不一致、亮度不可調(diào)整，在暗環(huán)境中會(huì)對(duì)操縱者產(chǎn)生一定的眩光影響;

（3）透光按鍵

駕駛室的鍵盤、開關(guān)、按鈕、功能鍵大多具有透光按鈕;

（4）駕駛室中的光折射

駕駛室頂部天花板、墻面和甲板均為金屬材質(zhì)，反光較為嚴(yán)重，易將多光源的光線反射到駕駛室窗上造成眩光，影響駕駛室人員操作。

3? ?駕駛室光環(huán)境優(yōu)化方法

在夜間航行時(shí)，駕駛室頂部信息顯示器、視頻復(fù)示器、電子海圖、導(dǎo)航雷達(dá)、自動(dòng)舵、任務(wù)工況指示板、航行管理模塊等設(shè)備， 發(fā)出的指示燈會(huì)在艙壁或艙室頂部形成復(fù)雜的光路反射并投射到舷窗上影響航行。因此，從軟件和硬件方面對(duì)駕駛室光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)全方位的解決方案。

3.1? ?環(huán)境優(yōu)化

（1）駕駛室內(nèi)表面進(jìn)行粗糙處理，使光在艙室內(nèi)表面產(chǎn)生漫反射，以減少艙壁、天花板、舷窗的反射;

（2）駕駛室盡量不使用亮色或消極色彩，優(yōu)先選擇不飽和色，讓視覺上產(chǎn)生平靜感3.2? ?照明優(yōu)化

（1）駕駛室前窗玻璃設(shè)計(jì)25°的傾角，并將第一排普通照明燈具前移至距離天花板前端450 mm處;

（2）駕駛室內(nèi)部正常白光照明在夜航時(shí)全部關(guān)閉，采用低照度的紅光照明。

3.3? ?顯示器優(yōu)化

（1）對(duì)顯示器發(fā)光效能的優(yōu)化是船舶駕駛室光環(huán)境治理的最重要因素;

（2）將駕駛室發(fā)光設(shè)備進(jìn)行可調(diào)光設(shè)計(jì)。在顯示器上設(shè)計(jì)亮度調(diào)節(jié)功能，利用PWM原理通過外部接口接收調(diào)光指令并解析，控制調(diào)節(jié)顯示器背光亮度。

4? ?PWM調(diào)光方法

4.1? 占空比與脈沖、電壓間的關(guān)系

占空比指脈沖高電平持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的比值。如圖1所示，脈沖周期不變時(shí)，占空比低，脈沖輸出時(shí)間短，平均電壓就低、輸出能量就小;占空比高，脈沖輸出時(shí)間長(zhǎng)，平均電壓就高、輸出能量就大。

4.2? 何為L(zhǎng)ED調(diào)光比

調(diào)光比其實(shí)就是調(diào)光的最低有效占空比，即調(diào)光比率 = Foper/Fpwm：

式中：Foper為工作頻率;Fpwm為調(diào)光頻率。

4.3? ?脈寬調(diào)制（PWM）控制方式

PWM就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形[6]，如圖2所示。

圖2顯示了三種不同的 PWM波形：圖中（a）波形的占空比為10%，即在信號(hào)周期中時(shí)間通與時(shí)間斷的比例為1：9;圖中（b）的占空比為50%;圖中（c）的占空比為90%。

PWM 輸出編碼分別是：強(qiáng)度為滿度值10%、50%和 90%的三種不同模擬信號(hào)值。

5? ?PWM在實(shí)船的應(yīng)用

駕駛室綜合調(diào)光設(shè)備能對(duì)駕控臺(tái)及其周邊設(shè)備上顯示和控制單元的亮度進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，使駕駛室內(nèi)各設(shè)備的顯示和背光亮度能快速響應(yīng)和滿足不同光線環(huán)境下的航行需求。

5.1? 集中調(diào)光系統(tǒng)組成

以某船為例，駕駛室綜合調(diào)光設(shè)備由3塊可調(diào)光控制面板和1個(gè)調(diào)光控制模塊組成：調(diào)光控制面板分別安裝在駕駛室的航行管理臺(tái)、航行操縱臺(tái)、航行保障臺(tái)的臺(tái)面，調(diào)光控制模塊安裝在駕控臺(tái)內(nèi)。

5.2? ?集中調(diào)光系統(tǒng)功能

（1）電源按鈕功能

每個(gè)調(diào)光面板上均有一個(gè)電源按鈕，控制本面板操作是否有效。電源開時(shí)，面板上其它按鈕和旋鈕都有效，調(diào)光報(bào)文能正常發(fā)送，背光正常調(diào)節(jié);電源關(guān)時(shí)，本面板其它按鈕和旋鈕不起作用，操作時(shí)不會(huì)有調(diào)光報(bào)文發(fā)出，面板按鍵背光不亮。

（2）調(diào)光旋鈕功能

三塊面板上的旋鈕分別對(duì)應(yīng)于本區(qū)域設(shè)備。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)光旋鈕，本面板上按鍵背光亮度增加，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到某一程度時(shí)旋鈕調(diào)光到達(dá)上限，即使繼續(xù)順時(shí)針調(diào)節(jié)旋鈕亮度也不會(huì)改變;逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)亮度減小且具有下限;調(diào)節(jié)調(diào)光旋鈕時(shí)，對(duì)外發(fā)送報(bào)文。

5.3? 集中調(diào)光系統(tǒng)原理

駕駛室中的顯示器由單片機(jī)串口控制板、背光驅(qū)動(dòng)板、顯示器驅(qū)動(dòng)板、OSD和調(diào)光按鍵及液晶屏組成。

當(dāng)MCU的串口控制板收到亮度控制命令時(shí)，MCU執(zhí)行以下工作：

（1）按照要求輸出相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)到按鍵板和背光控制板，對(duì)背光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié);

（2）輸出相應(yīng)指令到顯示驅(qū)動(dòng)板，完成屏幕顯示模式（白天、晨昏、夜間）及相應(yīng)的亮度調(diào)節(jié);

（3）向設(shè)備主機(jī)發(fā)送顏色匹配指令，驅(qū)動(dòng)應(yīng)用軟件進(jìn)行相應(yīng)的顏色變化;

（4）通過串口對(duì)接收到總控端或分控端命令進(jìn)行握手應(yīng)答，并上傳即時(shí)狀態(tài)。

在駕駛室的調(diào)光中，首先將駕駛室的設(shè)備按功能進(jìn)行分組，每組為一個(gè)調(diào)光單元，每個(gè)單元配有一個(gè)調(diào)光控制板和一個(gè)調(diào)光模塊;每個(gè)發(fā)光設(shè)備具有外部調(diào)光接口（以太網(wǎng)、CAN或RS422），通過接口接收外部的調(diào)光指令，從而根據(jù)亮度需要對(duì)背光進(jìn)行調(diào)節(jié);設(shè)備微調(diào)完成后，通過外部接口發(fā)送微調(diào)完成后亮度等級(jí)，且指令響應(yīng)及反饋時(shí)間不大于30 ms[7]。

在某型船的駕駛室調(diào)光設(shè)計(jì)中，通過集中調(diào)光模塊將各個(gè)發(fā)光設(shè)備通過電纜連接，發(fā)光設(shè)備通過RS422、RS485、CAN、以太網(wǎng)協(xié)議接收發(fā)送調(diào)光指令。實(shí)現(xiàn)了不同任務(wù)下的調(diào)光自適應(yīng)，節(jié)省各設(shè)備旁的操作人員配置，提高了船舶智能化（見圖3）。

6? ?調(diào)光系統(tǒng)的模式切換及報(bào)文反饋

6.1? 發(fā)光設(shè)備的亮度分級(jí)

將某船駕駛室發(fā)光設(shè)備按其指示、背光燈亮度進(jìn)行分級(jí)，如表1所示。

6.2? ?調(diào)光控制面板的模式切換

（1）模式切換功能

模式切換功能對(duì)應(yīng)每個(gè)面板上的白天，晨昏，夜間。模式切換操作是全局的，位于不同面板上的同名按鈕被按下時(shí)發(fā)送的報(bào)文是相同的，尤其對(duì)于串口協(xié)議來說每次發(fā)送模式切換報(bào)文時(shí)，會(huì)發(fā)送地址0x20 / 0x40/ 0x60 / 0x80起始的4幀報(bào)文;模式發(fā)生變化時(shí)，面板上按鍵背光被調(diào)節(jié)到模式對(duì)應(yīng)的默認(rèn)亮度。

（2）設(shè)定模式功能

某些子設(shè)備也具有設(shè)定模式功能，這些設(shè)備的接口均為以太網(wǎng)，子設(shè)備進(jìn)行模式切換后，向統(tǒng)一調(diào)光模塊發(fā)送模式切換報(bào)文;統(tǒng)一調(diào)光模塊接收到來自子設(shè)備的模式切換報(bào)文后，完成全局的模式切換操作，其效果等同于按下面板上的某一模式按鈕。此時(shí)，統(tǒng)一調(diào)光模塊向下發(fā)送模式切換報(bào)文。

（3）背光亮度調(diào)節(jié)功能

對(duì)于指示燈、報(bào)警燈的亮度，根據(jù)顯示模式進(jìn)行切換。白天模式，指示燈和報(bào)警燈的亮度為510 cd/㎡、指示燈為3.4±1.7 cd/㎡;當(dāng)背光亮度接近指示燈亮度時(shí)，指示燈亮度應(yīng)調(diào)節(jié)到背光亮度的兩倍。

6.3? 調(diào)光旋鈕的同步報(bào)文

三塊面板上的同步按鈕分別控制本區(qū)域設(shè)備。按下同步按鈕時(shí)，面板本身背光亮度調(diào)節(jié)至當(dāng)前全局模式默認(rèn)亮度等級(jí)，并發(fā)送對(duì)應(yīng)報(bào)文至本區(qū)域下設(shè)備，使各設(shè)備自身微調(diào)后各不相同的調(diào)光等級(jí)被同步，各設(shè)備被同步后的調(diào)光等級(jí)為當(dāng)前模式默認(rèn)亮度等級(jí)。

7? ?結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展和船東需求的提高，越來越多基于PWM的智能調(diào)光系統(tǒng)被應(yīng)用于駕駛室設(shè)計(jì)中：一方面，燈光亮度變化準(zhǔn)確、容量大、操作方便靈活;另一方面，對(duì)夜間適宜光環(huán)境的定義與相關(guān)環(huán)境參數(shù)目前還沒有準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求因人而異，需要通過瑣碎的地址碼設(shè)定以達(dá)到系統(tǒng)集成。因此，我們需繼續(xù)研究船舶夜間航行時(shí)光環(huán)境的影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化航行時(shí)的光環(huán)境，改進(jìn)設(shè)備背光形式及駕駛室總體光環(huán)境數(shù)據(jù)支持;制定科學(xué)的示范計(jì)劃，開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)和設(shè)備，使船舶駕駛室的光環(huán)境研究更加科學(xué)、具體;對(duì)于PWM調(diào)光來說，只有設(shè)計(jì)出低功耗、高集成度、工藝速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的PWM控制芯片才能不斷適應(yīng)調(diào)光市場(chǎng)的需求，指導(dǎo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，促進(jìn)船舶駕駛室的智能化設(shè)計(jì)。

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