王 杰, 尚小燕, 陳 靖, 徐均琪

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院,陜西 西安710021)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步與經(jīng)濟的發(fā)展,顏色在社會生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍,人們對產(chǎn)品顏色的指標要求也越來越高,顏色差異會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量等級,尤其是對于紡織、印染等顏色[1～3]相關(guān)行業(yè),如何提高產(chǎn)品顏色的質(zhì)量已成為了提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素。目前市場上應(yīng)用的顏色測量儀器主要分為分光測色儀和光電積分測色儀[4]。分光測色儀測量準確，但成本較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用范圍小。光電積分測色儀早期受限于濾光片以及探測器制作精度的影響,測量準確性較低,但隨著器件制造工藝水平的提高,相關(guān)公司生產(chǎn)的光電積分探測器已具有極高的測量精度,同時光電積分測色儀光電積分測色儀器具有測量速度快、價格較低、實時性好的優(yōu)點,具有較好的應(yīng)用前景。為了滿足企業(yè)對顏色質(zhì)量不同層次及應(yīng)用的要求,本文基于光電積分測色原理設(shè)計了一種顏色測量系統(tǒng),主要應(yīng)用于傳統(tǒng)紡織、印染行業(yè)織物顏色的測量,提高紡織物顏色測量的效率和準確度。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

顏色測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由照明模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)傳輸及處理系統(tǒng)3部分組成。其核心工作原理為光源發(fā)出的光照射在待測物表面,攜帶顏色信息的反射光線反射至顏色傳感器感光面,通過顏色傳感器實現(xiàn)光信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,利用主控單元對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行采集傳輸,最后將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行處理、顯示以及存儲。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 光電積分測色原理

系統(tǒng)基于光電積分測色法測量顏色,光電積分測色法是通過在可見光范圍內(nèi)將探測器的光譜響應(yīng)匹配為國際照明委員會CIE(Commission Internationale De L′E′clairage)規(guī)定的標準色度觀察者光譜三刺激值曲線[5,6]進行顏色測量。按照CIE所推薦的測色原理,儀器的光譜響應(yīng)應(yīng)符合盧瑟條件[7]

(1)

2.2 照明觀察測量條件

物體顏色測量的結(jié)果與光源、傳感器和樣品之間的相對位置關(guān)系,即幾何條件有關(guān)。對于紡織物產(chǎn)品色的測量,為了與人眼檢測相一致,多使用0°/45°(垂直照明/45°接收)和45°/0°(45°照明/垂直接收)幾何條件。在本系統(tǒng)中,為了使照射在樣品表面的光更均勻,選擇了45°a︰0°(45°環(huán)形照明/垂直接收)這一幾何條件,其具體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 45°a︰0°觀測條件

中心軸位于取樣孔徑法線上,半角接近45°的方向射來的光均勻地照明取樣孔徑,探測器位于取樣孔徑中心,中心軸沿樣品法線方向,半角為5°的測量孔均勻接收反射光[8]。這種幾何條件可以將樣品質(zhì)地和方向的選擇性反射降至最低,測量效果更好。

2.3 AS73211顏色傳感器

該傳感器是低功耗、低噪聲的集成式顏色傳感器,內(nèi)部集成有3個測量通道,每個通道由1只光電二極管和1個獨立的A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,可將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行輸出。在3只光電二極管前面分別集成有X，Y，Z信號的濾色片用以濾除紅、綠、藍三色外的光信號,實現(xiàn)XYZ顏色三刺激值的測量。AS73211傳感器的光譜響應(yīng)曲線如圖3所示,從圖中可以看出AS73211傳感器的光譜響應(yīng)與CIE1964標準光譜三刺激值成比例,符合光電積分測色法盧瑟條件的需求。

圖3 AS73211光譜響應(yīng)曲線

2.4 照明光源

本系統(tǒng)基于光電積分測色法設(shè)計,為了實現(xiàn)盧瑟條件的匹配,選擇標準D65光源作為系統(tǒng)照明光源[9],同時為了符合照明條件均勻照明的需求,最終選擇了D65標準環(huán)形光源作為本系統(tǒng)的照明光源。光源具體參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)形光源參數(shù)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用STM32F103ZET6為核心的微控制器作為系統(tǒng)的主控,同時結(jié)合電源電路以及外部通信電路,實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計。

3.1 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)采用USB接口供電,供電電壓為5 V。其中STM32主控最小系統(tǒng)的標準工作電壓為5 V,顏色傳感器的標準工作電壓3.0～3.7 V,I2C總線的上拉電壓為3.3 V,因此，采用AMS1117—3.3芯片用于將5 V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V進行輸出供電。電源電路原理如圖4所示。

圖4 電源電路原理

3.2 顏色傳感器及其接口電路

傳感器的對外接口是內(nèi)部集成電路(inter-integrated circuit,I2C)時序輸出接口,與STM32主控通過I2C總線相連,I2C總線分為SCL時鐘總線與SDA數(shù)據(jù)總線,總線上各器件都采用漏極開路(drain open,DO)的形式與總線相連,因此SCL與和SDA均需外接上拉電阻,才能輸出高電平。I2C接口電路如圖5所示。

圖5 I2C接口電路

3.3 串口通信接口電路

STM32主控通過USB接口與上位機通信,接口電路如圖6所示。其中CH340芯片用于將USB通信轉(zhuǎn)為UART串口通信。

圖6 串口通信接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 顏色傳感器配置

AS73211顏色傳感器的通信接口為I2C接口,系統(tǒng)建立了以STM32為主機,顏色傳感器為從機的I2C通信系統(tǒng),通信時鐘為100 kbit/s。傳感器內(nèi)部集成有配置寄存器與輸出寄存器組,分別如表2、表3所示。通過I2C通信向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)可以控制傳感器的工作狀態(tài)及模式,然后讀取對應(yīng)輸出寄存器的值獲取相應(yīng)狀態(tài)下的顏色測量值。

表2 AS73211主要配置寄存器

表3 AS73211主要輸出寄存器

AS73211傳感器測量模式配置過程主要如下:1)配置寄存器CREG1為56 h:將傳感器增益GAIN設(shè)置為64 x；2)配置寄存器CREG3為00h:設(shè)置傳感器為連續(xù)測量模式；3)配置狀態(tài)控制寄存器OSR為83 h:傳感器開始連續(xù)測量；4)讀取TEMP寄存器以及MRES寄存器測量數(shù)據(jù)；5)在測量完成后,配置寄存器OSR為03 h:結(jié)束測量,使傳感器進入待機模式。由于傳感器的輸出寄存器位寬為16位,且先輸出的是低8位數(shù)據(jù),后輸出高8位數(shù)據(jù),因此首先對低八位數(shù)據(jù)進行緩存,在輸出高8位數(shù)據(jù)后移位整體輸出。具體操作如下所示:

for(i=0;i<2;i++){

if(i==1)

{*(databuffer+i)=as73211_i2c_read_byte(0);}

else

{*(databuffer+i)=as73211_i2c_read_byte(1);}}

data=((uint16_t)databuffer[1]?8)|databuffer[0]。

4.2 串口通信程序設(shè)計

STM32微控制通過串口協(xié)議與上位機進行通信,考慮到傳輸速度的要求,采用115 200 bps的傳輸速度,一幀數(shù)據(jù)共10位,分別由1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位結(jié)束位構(gòu)成。本系統(tǒng)中上位機指令由單個字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成,在傳輸至主控后進行實現(xiàn)對應(yīng)指令的程序執(zhí)行。而系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)由多個字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成,為便于上位機處理采用數(shù)據(jù)包的形式進行傳輸,數(shù)據(jù)包格式如表4所示。

表4 串口通信數(shù)據(jù)包格式

4.3 上位機程序設(shè)計

系統(tǒng)采用MATLAB GUI進行上位機的設(shè)計,上位機程序設(shè)計流程如圖7所示。上位機從串口接收到的數(shù)據(jù)為字符串形式的數(shù)據(jù),為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理,首先將字符串數(shù)據(jù)利用MATLAB中的Split函數(shù)進行分割,分割后的數(shù)據(jù)形式為元胞數(shù)組,然后從數(shù)組中提取顏色數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為浮點型數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)運算。在經(jīng)處理計算得到XYZ顏色三刺激值數(shù)據(jù)后,對樣品顏色數(shù)據(jù)實時顯示,同時將數(shù)據(jù)存儲到臨時變量區(qū),便于后續(xù)數(shù)據(jù)的保存及查看。

圖7 上位機數(shù)據(jù)處理流程

4.4 顏色數(shù)據(jù)校準

對傳感器進行校準,以此實現(xiàn)傳感器均勻度以及色彩的匹配[10]。校準的過程主要依據(jù)如下:系統(tǒng)選擇PANTONE公司生產(chǎn)的應(yīng)用于紡織、印染等領(lǐng)域的專用色卡作為測試樣品,同時由于紅、綠、藍三色處于CIE色度圖3個不同的邊緣位置具有代表性,因此使用紅、綠、藍三色進行數(shù)據(jù)校準,首先將在相同測量條件下利用分光光譜儀測量得到顏色三刺激值作為標準值構(gòu)建標準值矩陣T,并利用傳感器輸出值構(gòu)建矩陣S,分別如下所示

然后根據(jù)式(2)計算得到線性回歸校準矩陣K,其中Strans代表矩陣S的轉(zhuǎn)置矩陣

K=(T·Strans)·(S·Strans)-1

(2)

經(jīng)計算得到校準矩陣K的值如下所示,后續(xù)所有傳感器輸出值與顏色校準矩陣K相乘的結(jié)果即為傳感器標準測量值

(3)

5 數(shù)據(jù)測試與分析

為了驗證系統(tǒng)的測量準確性,選擇了除紅綠藍三色以外的6種顏色的色卡進行測試,測試結(jié)果如表5所示。

表5 紡織物色卡測試數(shù)據(jù)

同時采用基于CIE 1976L*a*b*顏色空間的色差公式[11]對校準值與標準值之間的色差進行計算,計算結(jié)果顯示,測試的6種顏色色差ΔE均小于0.4,在顏色色差感覺中屬于人眼難以觀測的微小差異,表明系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)顏色測量。

6 結(jié) 論

本文基于光電積分法測色原理設(shè)計了一種紡織物顏色測量系統(tǒng),采用STM32微控制器傳輸顏色數(shù)據(jù),利用上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和系統(tǒng)控制,系統(tǒng)操作便捷,易于控制。經(jīng)測試,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多種的紡織物專用色卡的顏色測量,能有效提高紡織物顏色測量的效率及準確度,具有應(yīng)用價值。