CN101320547A - 一种医用液晶显示器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种医用液晶显示器及控制方法，属于医疗诊断技术领域，包括主控制器、电源和液晶显示屏等几大部分组成，主控制器采用GM5621芯片，主控制器与键盘、指示灯、晶振和随机存储器连接，数字信号和模拟信号从主控制器输入，主控制器通过LVDS总线与液晶显示屏相连，主控制器通过IIC总线与背光稳定电路相连，背光稳定电路上设有TSL2561光学传感器。主控制器通过IIC总线与温度控制电路相连，温度控制电路设有DS1631芯片。本发明通过专门的数字背光稳定电路与独立内嵌查表，实现了液晶显示器显示效果的高度一致，灰阶特性误差范围小于2％，保证了产品生命周期中显示特性的稳定性。有效延长显示器使用寿命。

Description

一种医用液晶显示器及控制方法

技术领域

本发明属于医疗诊断技术领域，特别涉及一种医用液晶显示器及控制方法。

背景技术

随着薄膜电晶体制作技术快速的进步，液晶显示器由于具备了轻薄、省电、无幅射线等优点。值得说明的是，由于液晶显示器为非发光性的显示装置，需要籍助背光模组才能产生显示的功能。所以背部光源性能的好坏，往往会直接影响液晶显示器的显像品质，可以说是液晶显示器中最重要的组件。但是通常的液晶显示器一般是批量生产，背光亮度随温度开机时间变化，灰阶显示特性曲线的不可调或个体差异较大。采用这种液晶显示器成像精确度不高，寿命较低，而且使用时输出不稳定。

发明内容

针对现有医用液晶显示器存在的问题，本发明提供一种稳定性好、图像显示一致、使用寿命长、精确度高的医用液晶显示器及控制方法。

该医用液晶显示器包括主控制器、电源和液晶显示屏等几大部分组成，主控制器采用GM5621芯片，主控制器与键盘、指示灯、晶振和随机存储器连接，数字信号和模拟信号分别从数字输入通道和模拟输入通道输入到主控制器，其中数字输入通道包括高速宽带内容保护、DVI信号接收器和显示数据通道，其中模拟输入通道包括三个模数转换器、施密特触发器和混合同步/绿同步信号；主控制器通过LVDS总线(低电压差分总线)与液晶显示屏相连，主控制器通过IIC总线(双向两线串行总线)与背光稳定电路相连，背光稳定电路上设有TSL2561背光传感器。主控制器通过IIC总线与温度控制电路相连，温度控制电路中设有DS1631温度传感器。主控制器的连接关系是，扩展GM5621的GPIO10，GPIO11作为IIC总线的数据线SDA和时钟线SCL。将DS1631和TSL2561的数据线SDA和时钟线SCL分别连接到GPIO10，GPIO11上。DS1631的总线地址为0x90，TSL2561的总线地址为0x72。在生产过程中针对每一台显示器进行原始特性采集，将原始特性与目标特性关系放入LUT表中。保证输出显示特性的精确性和一致性。

本发明的医用液晶显示器的控制方法，其程序嵌入存储器，工作时存储器初始化，然后主控制器读取存储器的指令，其控制方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化，包括设置时钟，配置液晶显示器中的存储器并读取液晶显示器设置信息，图像缩放控制器初始化，LUT查表的表初始化，背光标准值初始化，温度设置值初始化；

步骤二：图像信息处理；

1、主控制器检测输入信号种类，当是模拟信号则判断模拟信号类型，当模拟信号是混合同步型时，主控制器分离出行场信号，主控制器控制模数转换器将模拟信号转换成8bit图像信号；

当是数字信号，主控制器控制DVI信号接收器，将DVI信号解码，转换成8bit图像信号；

2、根据输入信号时钟频率设置缩放控制器进行显示；

图像信号以及行场信号进入多路信号混合器，根据用户设定选通，根据行场信号判断是否有稳定的图像输入并确定图像模式，选择缩放比例进行插值或压缩图像信号；

3、响应用户输入，当输入则进入用户菜单执行相应任务，包括亮度调整，对比度调整，

背光调整，预警温度设置，显示特性选择；

4、根据用户设置选择LUT查表公式，通过不同颜色灰阶值为寻址地址，根据LUT表中输入输出函数关系确定输出值并输出；

5、检查是否有OSD(On Screen Display)菜单图像，如果有，则将菜单图像复合到图像信号中，将图像信号按照LVDS信号格式编码，并传输给液晶显示模块进行显示；

步骤三：执行用户命令，包括图像的亮度，对比度，颜色，位置；

步骤四：执行背光稳定控制，控制液晶显示屏中背光灯管，输出稳定背光亮度；

步骤五：执行温度控制。

所述的执行背光稳定控制的工作步骤如下：

步骤1：背光电路初始化，初始化标准背光值；

步骤2：执行背光控制；

步骤3：判断液晶显示器状态，如果正常显示状态，背光电路起控进入步骤4，如果需要工厂调节，背光电路不起控，进入步骤5；

步骤4：读取背光值，判断当前背光值与标准背光值大小，

当前背光值比标准背光值大于2时，减小背光电流，降低背光亮度；

当前背光值比标准背光值小于2时，增大背光电流，提高背光亮度；

当前背光值与标准背光值之差绝对值小于2时，保持背光电流；

步骤5：读取背光值，将背光值保存为标准背光值；

步骤6：进入主循环。

所述的执行温度控制过程如下：

温度控制通过在主控制器中设置当前温度值和预警温度值，用户可以通过在用户菜单中的高级选项设定预警温度值，提供3种预警温度分别为70、75、80摄氏度。任务调度主循环过程中将实时读取当前温度值并与预警温度值进行比较。当前温度值超过预警温度值时，触发菜单事件弹出警示菜单，提示用户液晶显示器工作温度过高，危害液晶显示器寿命，停止显示，设计提示时间为30秒，当温度正常时，液晶显示器恢复显示。

所述的LUT查表过程如下：

视频显示信号进入液晶显示器，液晶显示器以输入信号的灰度值作为寻址地址，再根据该地址中的内容进行显示，该地址中的内容根据不同的液晶屏经过计算得出：

计算出在亮度范围内最大亮度Lmax以及最小亮度Lmin对应的JND的j值：

j(L)＝A+B·Log₁₀(L)+C·(Log₁₀(L))²+D·(Log₁₀(L))³+E·(Log₁₀(L))⁴+F·(Log₁₀(L))⁵+G·(Log₁₀(L))⁶+H·(Log₁₀(L))⁷+I·(Log₁₀(L))⁸

式中：

j(L)表示亮度L的JND值，参数A＝71.498068，B＝94.593053，C＝41.912053，D＝9.8247004，E＝0.28175407，F＝-1.1878455，G＝-0.18014349，H＝0.14710899，I＝-0.017046845；

对于任一液晶显示器，计算出每级输入对应的最小可分辨差别值，即JND值：

$j\left(p\right)=j_{\min }+\frac{p}{2^N-1}\·(j_{\max }-j_{\min })$

式中：j_max是当前液晶显示器最大亮度对应的JND值，j_min是当前液晶显示器最小亮度对应的JND值，p为输入的数字灰阶数，j(p)为相应灰阶p对应最小可分辨区别数，N为表的位数这里为8位；

亮度范围内的任意JND的j值其对应的亮度值L

${\log }_{10}L\left(j\right)=\frac{a+c\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+e\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+g\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+m\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4}{1+b\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+d\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+f\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+h\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4+k\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^5}$

式中：

L的单位是cd/m²，j是JND的索引值；

a＝1.30118877，b＝-2.5840191E-2，c＝8.0242636E-21，d＝-1.0320229E-1，e＝1.3646699E-1，f＝2.8745620E-2，g＝-2.5468404E-2，h＝-3.1978977E-3，k＝1.2992634E-4，m＝1.3635334E-3；

根据上述公式得出目标输出，测量液晶显示屏原始显示特性，将两者对应关系放入LUT表中。

本发明通过专门的数字背光稳定电路与独立内嵌查表，实现了液晶显示器显示效果的高度一致，灰阶特性误差范围小于2％，保证了产品生命周期中显示特性的稳定性。有效延长液晶显示器使用寿命。

附图说明

图1本发明的结构原理图；

图2本发明的控制原理图；

图3本发明的控制流程图；

图4本发明的背光稳定电路和温度控制电路图；

图5本发明的背光稳定电路工作流程图；

图6主控制器上部示意图；

图7主控制器下部示意图；

图8本发明的主控制器与液晶显示屏的电路连接图；

图9本发明的主控制器与IIC总线连接图；

图10本发明的IIC总线与温度传感器以及背光传感器连接图；

图11本发明的主控制器与电源的电路连接图；

图12本发明的主控制器与地连接示意图；

图13本发明的主控制器与晶振的电路连接图；

图14本发明的主控制器与信号输入的电路连接图；

图15本发明的主控制器与存储器的电路连接图；

图16本发明的数字输入电路图；

图17本发明的模拟输入电路图；

具体实施方式

如图1所示，本发明的医用液晶显示器包括主控制器、电源和液晶显示屏等几大部分组成，主控制器主要采用GM5621芯片，主控制器与键盘、指示灯、晶振和随机存储器连接，随机存储器为串行闪存非易失性随机存储器。数字信号和模拟信号分别从数字输入通道和模拟输入通道输入到主控制器，其中数字输入通道包括高速宽带内容保护、DVI信号接收器和显示数据通道，其中模拟输入通道包括三个模数转换器、施密特触发器和混合同步/绿同步信号；主控制器通过LVDS总线与液晶显示屏相连，选用的液晶显示屏型号是HL1916，主控制器通过IIC总线与背光稳定电路相连，背光稳定电路上设有TSL2561光学传感器。主控制器上通过IIC总线与温度传感器相连，温度传感器为DS1631芯片。

如图6和7所示，是主控制器GM5621芯片的示意图，图6是GM5621芯片上部示意图，图7是GM5621芯片下部示意图；主控制器的LBADC_IN1管脚与键盘连接。如图8所示，是本发明的主控制器与液晶显示屏的电路连接图，主控制器通过总线与液晶显示屏电连接；

如图4，9，10所示，本发明的主控制器通过IIC总线与温度传感器以及背光传感器连接，扩展GM5621的GPIO10，GPIO11作为IIC总线的数据线SDA和时钟线SCL。将DS1631和TSL2561的数据线SDA和时钟线SCL分别连接到GPIO10，GPIO11上。

如图11，12所示，是本发明的主控制器与电源的电路连接图以及与地连接图；如图13所示，是本发明的主控制器与晶振的电路连接图，主控制器的XTAL管脚与晶振连接；图14本发明的主控制器与信号输入的电路连接图；图15本发明的主控制器与存储器的电路连接图；图16本发明的数字输入电路图；图17本发明的模拟输入电路图；

不同液晶显示器的灰度显示特性并不一致，同一幅数字医学图像在不同显示系统上，显示效果不同。在临床应用中，当一幅医学图像在某个显示系统上得到诊断时，在别的显示系统上会得出不同的结论，从而影响诊断的准确性和一致性。因此，医学影像系统中图像显示要有很好的一致性。本发明提供了可以使同一幅医学图像在不同显示系统上使灰度显示达到一致的方法，以及测量不同显示系统灰度显示一致性的方法。

由于图像信息是由人眼来获取和感应的，图像显示的效果，最终要由人眼评判。所以，在图像显示处理中要充分考虑人眼的视觉特性。在0.05～4000cd/m²的亮度范围内，人眼的对比敏感度是非线性的。人眼在明处的对比敏感度比在暗处高，即人眼在亮处能分辨出相对更小的亮度变化。在此亮度范围内人眼可分辨出1023个亮度级别JNDs(just noticeable difference最小可分辨差别JND)。

每个亮度级别JND的索引j对应着一个亮度值L(j)，而且随着j值的依次增加，人眼感觉亮度L(j)几乎是线性变化的。当显示系统输入级别与输出亮度的关系和此关系一致时，此系统的显示符合标准的灰度显示标准。

本发明的医用液晶显示器的控制方法，其程序嵌入存储器，工作时存储器初始化，然后主控制器读取存储器的指令，其控制方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化，包括设置时钟，配置液晶显示器中的存储器并读取液晶显示器设置信息，图像缩放控制器初始化，LUT查表的表初始化，背光标准值初始化，温度设置值初始化；

步骤二：图像信息处理；

1、主控制器检测输入信号种类，当是模拟信号则判断模拟信号类型，当模拟信号是混合同步型时，主控制器分离出行场信号，主控制器控制模数转换器将模拟信号转换成8bit图像信号；

当是数字信号，主控制器控制DVI信号接收器，将DVI信号解码，转换成8bit图像信号；

2、根据输入信号时钟频率设置缩放控制器进行显示；

图像信号以及行场信号进入多路信号混合器，根据用户设定选通，根据行场信号判断是否有稳定的图像输入并确定图像模式，选择缩放比例进行插值或压缩图像信号；

3、响应用户输入，当有效输入则进入用户菜单执行相应任务，包括亮度调整，对比度调整，背光调整，预警温度设置，显示特性选择；

4、根据用户设置选择LUT查表公式，通过不同颜色灰阶值为寻址地址，根据LUT表中输入输出函数关系确定输出值并输出到液晶显示屏；

5、检查是否有OSD(On Screen Display)菜单图像，如果有，则将菜单图像复合到图像信号中，将图像信号按照LVDS信号格式编码，并传输给液晶显示模块进行显示；

步骤三：执行用户命令，包括图像的亮度，对比度，颜色，位置；

步骤四：执行背光稳定控制，控制液晶显示屏中背光灯管，输出稳定背光亮度；

步骤五：执行温度控制。

所述的执行背光稳定控制的工作步骤如下：

步骤1：背光电路初始化，初始化标准背光值；

步骤2：执行背光控制；

步骤3：判断液晶显示器状态，如果正常显示状态，背光电路起控进入步骤4，如果需要工厂调节，背光电路不起控，进入步骤5；

步骤4：读取背光值，判断当前背光值与标准背光值大小，

当前背光值比标准背光值大于2时，减小背光电流，降低背光亮度；

当前背光值比标准背光值小于2时，增大背光电流，提高背光亮度；

当前背光值与标准背光值之差绝对值小于2时，保持背光电流；

步骤5：读取背光值，将背光值保存为标准背光值；

步骤6：进入主循环。

所述的执行温度控制过程如下：

温度控制通过在主控制器中设置当前温度值和预警温度值，用户可以通过在用户菜单中的高级选项设定预警温度值，提供3种预警温度分别为70、75、80摄氏度。任务调度主循环过程中将实时读取当前温度值并与预警温度值进行比较。当前温度值超过预警温度值时，触发菜单事件弹出警示菜单，提示用户液晶显示器工作温度过高，危害液晶显示器寿命，停止显示，设计提示时间为30秒，当温度正常时，液晶显示器恢复显示。

所述的LUT查表过程的如下：

视频显示信号进入液晶显示器，液晶显示器以输入信号的灰度值作为寻址地址，再根据该地址中的内容进行显示，该地址中的内容根据不同的液晶屏经过计算得出：

计算出在亮度范围内最大亮度Lmax以及最小亮度Lmin对应的JND的j值：

j(L)＝A+B·Log₁₀(L)+C·(Log₁₀(L))²+D·(Log₁₀(L))³+E·(Log₁₀(L))⁴+F·(Log₁₀(L))⁵+G·(Log₁₀(L))⁶+H·(Log₁₀(L))⁷+I·(Log₁₀(L))⁸

式中：

j(L)表示亮度L的JND值，参数A＝71.498068，B＝94.593053，C＝41.912053，D＝9.8247004，E＝0.28175407，F＝-1.1878455，G＝-0.18014349，H＝0.14710899，I＝-0.017046845：

对于液晶显示器，计算出每级输入对应的最小可分辨差别值，即JND值：

$j\left(p\right)=j_{\min }+\frac{p}{2^N-1}\·(j_{\max }-j_{\min })$

式中：j_max是当前液晶显示器最大亮度对应的JND值，j_min是当前液晶显示器最小亮度对应的JND值，p为输入的数字灰阶数，j(p)为相应灰阶p对应最小可分辨区别数，N为LUT表的位数，取8位；

亮度范围内的任意JND的j值其对应的亮度值L

${\log }_{10}L\left(j\right)=\frac{a+c\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+e\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+g\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+m\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4}{1+b\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+d\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+f\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+h\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4+k\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^5}$

式中：

L的单位是cd/m²，j是JND的索引值；

a＝1.30118877，b＝-2.5840191E-2，c＝8.0242636E-21，d＝-1.0320229E-1，e＝1.3646699E-1，f＝2.8745620E-2，g＝-2.5468404E-2，h＝-3.1978977E-3，k＝1.2992634E-4，m＝1.3635334E-3；

根据上述公式得出目标输出，测量液晶显示屏原始显示特性，将两者对应关系放入LUT表中。

Claims (6)

1、一种医用液晶显示器，包括主控制器、电源和液晶显示屏，主控制器采用GM5621芯片，主控制器与键盘、指示灯、晶振和随机存储器连接，数字信号和模拟信号分别从数字输入通道和模拟输入通道输入到主控制器，其中数字输入通道包括高速宽带内容保护、DVI信号接收器和显示数据通道，其中模拟输入通道包括三个模数转换器、施密特触发器和混合同步/绿同步信号；主控制器通过低电压差分总线与液晶显示屏相连，其特征在于主控制器通过IIC总线与背光稳定电路相连，背光稳定电路上设有TSL2561背光传感器。

2、按照权利要求1所述的医用液晶显示器，其特征在于所述的主控制器通过IIC总线与温度控制电路相连，温度控制电路上设有DS1631温度传感器。

3、一种医用液晶显示器的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化，包括设置时钟，配置液晶显示器中的存储器并读取液晶显示器设置信息，图像缩放控制器初始化，LUT查表的表初始化，背光标准值初始化，温度设置值初始化；

步骤二：图像信息处理；

(1)、主控制器检测输入信号种类，模拟信号则判断模拟信号类型，是混合同步型时，主控制器分离出行场信号，主控制器控制模数转换器将模拟信号转换成8bit图像信号；当是数字信号，主控制器控制DVI信号接收器，将DVI信号解码，转换成8bit图像信号；

(2)、根据输入信号时钟频率设置缩放控制器进行显示；

图像信号以及行场信号进入多路信号混合器，根据用户设定选通，根据行场信号判断是否有稳定的图像输入并确定图像模式，选择缩放比例进行插值或压缩图像信号；

(3)、响应用户输入，当有效输入则进入用户菜单执行相应任务，包括亮度调整，对比度调整，背光调整，预警温度设置，显示特性选择；

(4)、根据用户设置选择LUT查表公式，通过不同颜色灰阶值为寻址地址，根据LUT表中输入输出函数关系确定输出值并输出；

(5)、检查是否有OSD菜单图像，如果有，则将菜单图像复合到图像信号中，将图像信号按照LVDS信号格式编码，并传输给液晶显示模块进行显示；

步骤三：执行用户命令，包括图像的亮度，对比度，颜色，位置；

步骤四：执行背光稳定控制，控制液晶显示屏中背光灯管，输出稳定背光亮度；

步骤五：执行温度控制。

4、按照权利要求3所述的一种医用液晶显示器的控制方法，其特征在于所述的执行背光稳定控制的工作步骤如下：

步骤1：背光电路初始化，初始化标准背光值；

步骤2：执行背光控制；

步骤3：判断显示器状态，当正常显示状态，背光电路起控进入步骤4，当需要手工调节，背光电路不起控，进入步骤5；

步骤4：读取背光值，判断当前背光值与标准背光值大小，

当前背光值比标准背光值大2时，减小背光电流，降低背光亮度；

当前背光值比标准背光值小2时，增大背光电流，提高背光亮度；

当前背光值与标准背光值之差绝对值小于2时，保持背光电流；

步骤5：读取背光值，将背光值保存为标准背光值；

步骤6：进入主循环。

5、按照权利要求3所述的一种医用液晶显示器的控制方法，其特征在于所述的执行温度控制的过程如下：在主控制器中设置当前温度值和预警温度值，在用户菜单中的高级选项设定预警温度值，主循环过程中将实时读取当前温度值并与预警温度值进行比较，当前温度值超过预警温度值时，触发菜单事件弹出警示菜单，设计提示时间为30秒，当温度正常时，液晶显示器恢复显示。

6、按照权利要求3所述的一种医用液晶显示器的控制方法，其特征在于所述的LUT查表过程的如下：视频显示信号进入显示器，显示器以输入信号的灰度值作为寻址地址，再根据该地址中的内容进行显示，该地址中的内容根据不同的液晶屏经过计算得出：

计算出在亮度范围内最大亮度Lmax及最小亮度Lmin对应的JND的j值：

j(L)＝A+B·Log₁₀(L)+C·(Log₁₀(L))²+D·(Log₁₀(L))³+E·(Log₁₀(L))⁴+F·(Log₁₀(L))⁵+G·(Log₁₀(L))⁶+H·(Log₁₀(L))⁷+I·(Log₁₀(L))⁸

式中：

j(L)表示亮度L的JND值，参数A＝71.498068，B＝94.593053，C＝41.912053，D＝9.8247004，E＝0.28175407，F＝-1.1878455，G＝-0.18014349，H＝0.14710899，I＝-0.017046845；

对于当前液晶显示器，计算出每级输入对应的最小可分辨差别值，即JND值：

$j\left(p\right)=j_{\min }+\frac{p}{2^N-1}\·(j_{\max }-j_{\min })$

式中：j_max是当前液晶显示器最大亮度Lmax对应的JND值，j_min是当前液晶显示器最小亮度Lmin对应的JND值，p为输入的数字灰阶数，j(p)为相应灰阶p对应最小可分辨区别数，N为表的位数；

亮度范围内的任意JND的j值其对应的亮度值L

${\log }_{10}L\left(j\right)=\frac{a+c\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+e\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+g\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+m\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4}{1+b\·\mathrm{Ln}\left(j\right)+d\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^2+f\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^3+h\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^4+k\·{\left(\mathrm{Ln}\left(j\right)\right)}^5}$

式中：L的单位是cd/m²，j是JND的索引值；

a＝1.30118877，b＝-2.5840191E-2，c＝8.0242636E-21，d＝-1.0320229E-1，e＝1.3646699E-1，f＝2.8745620E-2，g＝-2.5468404E-2，h＝-3.1978977E-3，k＝1.2992634E-4，m＝1.3635334E-3；根据上述公式得出目标输出，测量液晶显示屏原始显示特性，将两者对应函数关系放入LUT表中。

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