一种具有实时振动补偿的显示模块的设计

引言

　　我们跑步或骑自行车时，手臂的振动常常使我们手中的电子设备所显示的图像看起来模糊不清，长时间观看（如观看MP4视频、收发短信等）容易造成视觉疲劳。汽车轮船的显示设备（如车载GPS），强振动机床的数控系统以及一些工程机械（如挖掘机、推土机等）也会发生类似的问题。可见，由于振动而导致显示效果模糊不清的现象是普遍存在的。

　　究其原因，在于这些显示设备输出的均为静态图像，基础的振动使其成为（相对于人）振动图像，由于人神经系统的滞后（人的正常反应时间大约需要0.3s），造成大脑所接收到的是模糊不清的画面。当然对于人的神经系统我们暂时束手无策，但是我们可以首先检测出基础的振动状态，由微控制器控制显示器件的输出图像朝反方向偏移（如此，实时的偏移即是动态显示），综合的显示效果自然是（相对于人）静止不动的图像，上面的问题就迎刃而解了。

问题的描述

　　问题的产生

　　正常情况下显示器件相对观察者是静止的，但很多情况下显示器件会发生振动，这些振动会使显示器件所显示的图像看起来模糊不清，长时间观看容易造成视觉疲劳。如图1所示，基础振动在⊿t时间内，产生（⊿x，⊿y）的绝对位移（这里假定人静止不动），由于显示器件所显示的图像是静态的或者是与基础振动无关的动态图像流，那么图像也会在这⊿t时间内产生（⊿x，⊿y）的绝对位移。人的视觉系统的反应速度（人的正常反应时间大约需要0.3s）低于基础振动的速度，几幅相互间有偏移的图像就会重叠在一起如图1所示，造成图像看起来模糊不清。

　　问题的解决方法

　　最容易也是最简单的解决办法就是测量出在⊿t时间内产生的（⊿x，⊿y）绝对位移值，然后控制显示器件使输出图像产生相反方向的偏移量（-⊿x，-⊿y）。这样综合的效果是图像相对观察者是静止的，图像又变得清晰了！

　　要实现这种对振动图像的补偿会遇到几个挑战。首先，是基础振动的绝对位移值的测量，我们先来分析基础振动的特点：

　　·振动频率低（3Hz~30Hz）；

　　·振幅较小（1mm~3mm），据此我们可以计算基础振动的最大加速度(amax=4π2f2?A=10.87g)；

　　·对显示效果影响最大的是显示器件平面内的平面运动；

　　·振动多发生在便携设备上。

　　针对这种振动最简单的测量方法是实时测得振动的加速度a，然后对其作时间的二次积分得到基础振动的绝对位移值，这种方法不适合做长时间的测量，因为积分的起始点选择可靠性和加速度的噪声会使长时间的积分运算后误差放大。现在问题归纳为对一个加速度a＜10.87的振动进行实时测量，并对加速度a作二次积分计算位移值。其次，是如何实时输出具有相反方向偏移量的动态图像。这涉及到两个速度：处理器的运算速度和显示器件的响应速度。因为实时动态图像的显示需要很大的计算量（处理每秒钟40帧的128×64的单色图像就需要每秒40 kBytes的处理量，这对MCU是个较大的挑战）；普通的LCD屏幕也要有较长的响应延时，刷新一幅128×64的单色图像就需要1024×72μs=73.7ms（ST7920），这简直无法实现图像的动态显示。还有一个问题是显示模块与信源的通讯，模块化设计要有方便的数据接口以适应不同的要求，还要考虑到显示模块长期的振动会使通讯电缆造成疲劳损坏。

设计概述

　　基础振动的绝对位移值的测量

　　上文提到，基础振动的绝对位移值的测量可归纳为对一个加速度 a＜10.87的振动进行实时测量，并对加速度a作二次积分计算位移值。本系统中加速度传感器采用低量程三轴向加速度传感器MMA7260QT，最大量程为±6g，响应频宽为fXY=350Hz、fZ=150Hz，MMA7260QT的敏感方向如图3所示，XY轴输出电压与芯片平面内的加速度成比例。

　　因为所要测量的加速度值和重力加速度值在一个量级，所以要考虑重力加速度的影响。让传感器平面平行于显示器件平面（如图4中的ABC平面为显示器平面，平面为水平面），初始位置时传感器各轴所测得的加速度分量aX0、aY0、aZ0反映了显示器相对水平面的倾角（图4中的θ1、θ2）。如果显示器只在当前平面内做平动，aX0、aY0、aZ0就是X、Y、Z的加速度的常值分量；如果显示器还在当前平面内有转动，只有aZ0是Z轴加速度的常值分量，aX0、aY0是随转角θ1、θ2而变的变量；如果显示器Z轴与铅垂线夹角还有变化，aZ0也是随转角θ1而变的变量。第一种情形的处理比较简单，直接将aX0、aY0、aZ0作为初始位置静止的初值，是积分不变量，进行二次积分即可得到位置；第二、三种情形处理较为复杂，要将aX0、aY0、aZ0作为初始位置运动的初值，也看作积分不变量，但是进行二次积分时要知道初始位置的运动参数，这要选择振动加速度的极值点（此时速度为零）作为运动的起始点开始积分，当然这种算法会稍微复杂。