萬志翀， 陳 嵐， 萬國春， 謝麗宇

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418；2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

0 引言

車載娛樂系統(tǒng)不再單一的為人們提供多媒體功能的服務(wù)，而是更多地考慮結(jié)合其他駕駛信息并與乘客進(jìn)行交互。汽車車載氛圍燈在傳統(tǒng)車內(nèi)主要起到輔助照明的功能，隨著智能座艙概念的提出，車載氛圍燈承擔(dān)的功能也逐漸變多。因此，如何保證每一個LED燈珠具有高度的顏色一致性是非常關(guān)鍵的問題［1］。

由于制作工藝的差異，同款燈頭使用同樣的參數(shù)點(diǎn)亮?xí)r，會產(chǎn)生肉眼可以區(qū)分的色差［2］。為此，紅綠藍(lán)發(fā)光二極管（Red-Green-Blue Light Emitting Diode，RGB-LED）顏色標(biāo)定系統(tǒng)被提出，一個完整的顏色標(biāo)定系統(tǒng)包括LED 參數(shù)采集和校準(zhǔn)算法兩部分［3］。測量LED參數(shù)前首先需要精準(zhǔn)的顏色控制［4-6］，最經(jīng)典的是脈寬調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）控制方法［7］，而后是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［8-9］。同時，許多學(xué)者提出了一系列的校準(zhǔn)算法［10］，傳統(tǒng)校準(zhǔn)算法需要高成本的光電傳感電路［11-12］，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的引入［13-14］，大量的RGB-LED顏色數(shù)據(jù)需要被用來訓(xùn)練。

基于上述背景，本文實(shí)驗(yàn)旨在提供一種結(jié)合嵌入式開發(fā)、串口通信技術(shù)與LIN 總線通信原理的RGBLED顏色校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過該實(shí)驗(yàn)提出的方案，研究人員可以更加便捷的獲取到算法研究需要的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)來源的可追溯。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)主要包括：自動化機(jī)械模塊、顏色校準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)源可追溯模塊三大部分。自動化機(jī)械模塊主要負(fù)責(zé)將探頭與待校準(zhǔn)LED 燈板移動到對應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)整體校準(zhǔn)流程的自動化；顏色校準(zhǔn)模塊通過LIN總線通信點(diǎn)亮LED，再通過顏色分析儀獲取到顏色數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法計(jì)算后，基于PWM 調(diào)光方法實(shí)現(xiàn)對LED的顏色校準(zhǔn)；數(shù)據(jù)源可追溯模塊集成了激光打標(biāo)機(jī)，對每個燈珠生成唯一的序列號，再通過序列號生成二維碼，最后使用激光打標(biāo)機(jī)將二維碼刻到燈板外殼上。這3 個模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集和數(shù)據(jù)源可追溯。

1.1 伺服電動機(jī)模塊

伺服電動機(jī)模塊的架構(gòu)如圖1 所示，該模塊主要負(fù)責(zé)移動搭載了RGB-LED 的PCB 標(biāo)定板，捕捉顏色分析儀數(shù)據(jù)和移動LIN收發(fā)器終端連接到氛圍燈的接口，通過伺服電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械軸移動搭載對象，幫助整個標(biāo)定過程實(shí)現(xiàn)自動化。LIN 總線是一個低成本總線，主要用于車窗、空調(diào)、氛圍燈等汽車零部件，速率為20 Kb/s，工作電壓在0 ～12 V 之間，抗干擾能力較強(qiáng)［15］。

圖1 伺服電動機(jī)模塊架構(gòu)

伺服電動機(jī)在全球的工業(yè)自動化領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，通常一套伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動器，伺服電動機(jī)，導(dǎo)軌，PLC或PC。模塊的機(jī)械部分使用了5 軸伺服電動機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)，主要包括5 臺TSDA-C21B伺服電動機(jī)驅(qū)動器和對應(yīng)的5 臺伺服電動機(jī)（3 臺SDGA-04C11AB，2 臺SDGA-01C32BB）。兩類電動機(jī)的區(qū)別在于后者具有剎車使能信號，可以在電動機(jī)垂直工作時防止電動機(jī)失能下墜造成嚴(yán)重的安全隱患。電動機(jī)控制利用STM32 與USB 轉(zhuǎn)485 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過USB-485 轉(zhuǎn)換器輸出兩線信號，串接5 個TSDA-C21B伺服電動機(jī)，再由驅(qū)動器對伺服電動機(jī)進(jìn)行控制。每個機(jī)械軸都有3 路光電開關(guān)，用于提供電動機(jī)的限位和零點(diǎn)信號。電動機(jī)驅(qū)動器也同樣引出5個電動機(jī)的到位信號，用于判定每臺電動機(jī)是否走到指定位置，并通過24 V電壓驅(qū)動5 路繼電器模塊進(jìn)行信號隔離后輸入到STM32。除此之外，STM32 還外接了一個急停按鈕，用于機(jī)器異常運(yùn)行的緊急停止。

1.2 顏色校準(zhǔn)模塊

顏色校準(zhǔn)模塊包括LIN收發(fā)器、顏色分析儀、光電探頭、待校準(zhǔn)RGB-LED燈板。LIN收發(fā)器負(fù)責(zé)將上位機(jī)的點(diǎn)亮命令通過LIN通信傳輸標(biāo)定數(shù)據(jù)并控制點(diǎn)亮RGB-LED燈珠。光電探頭采集RGB-LED發(fā)出的顏色光數(shù)據(jù)。顏色分析儀負(fù)責(zé)分析探頭采集的顏色光，轉(zhuǎn)換成CIE Yxy色品坐標(biāo)，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。RGB-LED通過PWM 的方式點(diǎn)亮目標(biāo)色，紅綠藍(lán)3 種顏色燈珠的光通量與PWM 的占空比例呈線性關(guān)系［3］：

式中：Y′r，Y′g，Y′b分別為PWM 調(diào)光下紅綠藍(lán)3 個燈珠的光通量；Dr，Dg，Db分別為紅綠藍(lán)3 個燈珠的占空比；Yr，Yg，Yb分別為紅綠藍(lán)3 個燈珠在占空比為1 時的光通量。根據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)中的三色線性關(guān)系和色度坐標(biāo)與三色值的關(guān)系，可以得出RGB-LED 的混光色度坐標(biāo)：

式中：Xm，Ym，Zm分別為混光顏色的三刺激值；xm為混光顏色在CIE1931 色度空間坐標(biāo)系下x軸的坐標(biāo)值；xr，xg，xb分別為紅綠藍(lán)3 個燈珠在占空比為1 時點(diǎn)亮的顏色在CIE1931 色度空間坐標(biāo)系下x軸的坐標(biāo)值；ym為混光顏色在y軸的坐標(biāo)值；yr，yg，yb分別為紅綠藍(lán)3 個燈珠在占空比為1 時點(diǎn)亮的顏色在y軸的坐標(biāo)值。分別為紅綠藍(lán)3 個LED在占空比為1 時的三刺激值之和。

1.3 數(shù)據(jù)源可追溯模塊

實(shí)驗(yàn)中，需追溯數(shù)據(jù)的來源，從而尋找因果關(guān)系或判斷異常狀態(tài)。數(shù)據(jù)源可追溯模塊的架構(gòu)如圖2 所示，模塊包含用戶上位機(jī)軟件、激光打標(biāo)機(jī)和燈珠LIN通信3 個主要部分。RGB-LED 燈珠是我們的待測組件，上位機(jī)發(fā)送NAD 地址獲取幀和序列號獲取幀，通過USB-LIN收發(fā)器將幀信號發(fā)送到RGB-LED并得到反饋數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過這些反饋數(shù)據(jù)，給激光打標(biāo)控制板發(fā)送序列號字符串和開始打標(biāo)信號。控制板控制激光探頭，在燈珠的外殼打印包含序列號信息的二維碼。如果對某個數(shù)據(jù)存在追溯需求，只需要掃描二維碼，即可獲得序列號，從而找到對應(yīng)的燈珠。

圖2 數(shù)據(jù)源可追溯系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括自動化機(jī)械模塊，顏色校準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)源可追溯模塊3 個部分。3 個模塊獨(dú)立運(yùn)行但相互之間協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)RGB-LED 的自動化校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)可追溯功能。

（1）自動化機(jī)械模塊。電動機(jī)移動的邏輯控制，軟件流程如圖3 所示，開始標(biāo)定流程時，先移動Y軸電動機(jī)，當(dāng)Y軸電動機(jī)到位后，移動X軸電動機(jī)，等到Y(jié)軸和X軸電動機(jī)全部到位后，移動Z軸電動機(jī)將探針放置在RGB-LED 燈板上方，當(dāng)標(biāo)定結(jié)束以后進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位過程中，會先將Z軸電動機(jī)上的探頭抬起，當(dāng)Z軸電動機(jī)上升到位后，同時移動X軸和Y軸電動機(jī)，防止損壞探針和探頭，當(dāng)X軸和Y軸電動機(jī)到位后代表完成了一次完整的標(biāo)定流程。

圖3 自動化機(jī)械模塊軟件流程

（2）顏色校準(zhǔn)模塊。主要是形成一個閉環(huán)的反饋修正，經(jīng)過多次循環(huán)校準(zhǔn)后，保證燈珠的顏色在標(biāo)準(zhǔn)色域內(nèi)。調(diào)光方法使用目前車載氛圍燈常用的PWM 調(diào)光法［5］，使用的校準(zhǔn)算法可以靈活變換，該模塊的軟件流程如圖4 所示。

圖4 顏色校準(zhǔn)模塊軟件流程

（3）數(shù)據(jù)源可追溯模塊。主要是通過校準(zhǔn)時間生成唯一序列號后，讀取寫入在RGB-LED 燈珠內(nèi)的序列號，將該序列號生成對應(yīng)的二維碼，通過激光打印在燈珠外殼上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯，該模塊的軟件流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)源可追溯模塊軟件流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在整體實(shí)驗(yàn)過程中，顏色校準(zhǔn)的精度和校準(zhǔn)過程的速度是2 個重要的性能指標(biāo)。

3.1 顏色校準(zhǔn)

（1）顏色校準(zhǔn)過程。首先需要測量RGB-LED 的三基色值，并依據(jù)三基色值進(jìn)行后續(xù)目標(biāo)色校準(zhǔn)算法的計(jì)算。受到電流的影響，RGB-LED每個基色的亮度會不相同，以此燈為例，基色紅的亮度為1190.61 lx，基色綠的亮度為3683.66 lx，基色藍(lán)的亮度為362.70 lx?？梢缘贸鼍G光亮度最高，藍(lán)光亮度最低。因此在混光過程中，偏綠的顏色亮度會更高，偏藍(lán)的顏色亮度會更低。

（2）目標(biāo)色計(jì)算過程。需要針對不同的基色配比動態(tài)調(diào)整顏色的亮度。30 種目標(biāo)色的亮度計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，20 ～30 號色偏藍(lán)，所以亮度更低，3 ～6 號偏紅色號的亮度相對偏綠色號的亮度也有所降低，符合理論預(yù)期。

圖6 RGB-LED亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)

顏色校準(zhǔn)完成后，RGB-LED的顏色值與目標(biāo)值如圖7 所示。紅色為目標(biāo)色坐標(biāo)點(diǎn)，綠色為校準(zhǔn)后的顏色坐標(biāo)點(diǎn)，30 種顏色的偏差均小于0.01，證明本實(shí)驗(yàn)具有良好的精度。校準(zhǔn)后的顏色在CIE1931 色彩空間色度圖的位置如圖8 所示，全部目標(biāo)色均在正確的位置。

圖7 目標(biāo)色坐標(biāo)與校準(zhǔn)后色坐標(biāo)對比

圖8 RGB-LED校準(zhǔn)后的顏色值

3.2 校準(zhǔn)速度

本實(shí)驗(yàn)將80 個RGB-LED焊接在PCB 燈板上，按照8 ×10 的矩陣排列。80 個RGB-LED的校準(zhǔn)時間如圖9 所示。由圖可知，大部分RGB-LED 的校準(zhǔn)30 種顏色的時間在60 s左右，平均2 s校準(zhǔn)一種顏色。個別RGB-LED在一遍校準(zhǔn)后，還有部分顏色無法滿足目標(biāo)色域，本實(shí)驗(yàn)最多會重復(fù)校準(zhǔn)3 次，由圖12 可見，80 個燈中只有28 號燈校準(zhǔn)3 次才合格，34、68 和75號3 個燈校準(zhǔn)了2 次。除此之外，燈板左下角的61、62、71 和72 號4 個燈設(shè)置焊接異常情況，無法點(diǎn)亮，因此校準(zhǔn)時間為0，證明本實(shí)驗(yàn)可以檢測出此類異常情況。

圖9 RGB-LED校準(zhǔn)時間

在校準(zhǔn)完成后，顏色校準(zhǔn)模塊會記錄RGB-LED燈珠的顏色數(shù)據(jù)，并自動記錄為數(shù)據(jù)表格。這些數(shù)據(jù)表格為后續(xù)研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的校準(zhǔn)標(biāo)定算法提供了訓(xùn)練數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集完畢后，通過激光打印二維碼在RGB-LED的外殼上，掃描二維碼可以得到對應(yīng)的序列號。序列號的生成規(guī)則為“年（4 byte）-月（2 byte）-日（2 byte）-時（2 byte）-分（2 byte）-秒（2 byte）-通道號（2 byte）-燈ID號（2 byte）”，共計(jì)18 byte，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的可追溯功能。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)的自動化模塊，實(shí)現(xiàn)了RGBLED顏色數(shù)據(jù)的自動化校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行源頭可追溯。通過實(shí)驗(yàn)表明，提出的RGB-LED顏色校準(zhǔn)方法在CIE1931 色度空間下平均誤差小于0.01，每種顏色平均校準(zhǔn)速度達(dá)到2 s。本文提出的方法適用于包含大量重復(fù)數(shù)據(jù)采集步驟的科研項(xiàng)目，研究人員可以參考本文，搭建適合自己科研項(xiàng)目的自動化數(shù)據(jù)可追溯系統(tǒng)，提高科研效率。