顏色檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 曦 趙辰雪

(河北工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300130)

0 引言

近年來，顏色檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。目視法、分光光度法和光電積分法是常用的顏色檢測(cè)方法［1］。這些測(cè)量方法最重要的作用是實(shí)現(xiàn)顏色傳感器與上位機(jī)的通信，并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存。其中，虛擬儀器在通信中起到很重要的作用，它可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與測(cè)試儀器的一體化，并有望成為現(xiàn)階段及將來測(cè)試技術(shù)與儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向［2］。美國(guó)Applied Color Systems、英國(guó)Instrumental Color Systems和瑞士Data Color是世界上3個(gè)主要的色控儀器公司［3］。在國(guó)內(nèi)，儀器測(cè)色、配色的理論和系統(tǒng)的研究仍處于相當(dāng)落后的狀態(tài)?；贚abVIEW的顏色檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了以往軟件設(shè)計(jì)的工作量，降低了通信的復(fù)雜程度，從而提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)的顏色檢測(cè)工業(yè)提供了一種新的檢測(cè)方法。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

顏色采集系統(tǒng)由顏色傳感器TCS230與數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716組成，其通過研華32位DLL驅(qū)動(dòng)程序接口使PCI-1716與計(jì)算機(jī)相連，然后與LabVIEW軟件共同構(gòu)成通信系統(tǒng)。顏色檢測(cè)系統(tǒng)的具體工作過程是:首先，LabVIEW通過程序給采集卡設(shè)初值進(jìn)行硬件初始化;然后，由PCI-1716的數(shù)字輸出端控制TCS230顏色濾波器的選擇，從而進(jìn)行顏色數(shù)據(jù)的采集;接著，PCI-1716將采集的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī);最后，利用LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示與保存。

顏色檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 顏色檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the color detection system

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 顏色傳感器TCS230

顏色傳感器TCS230是美國(guó)TAOS公司推出的一種可編程光到頻率的轉(zhuǎn)換器［4］。它把可配置的硅光電二極管與電流轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，并在同一芯片上集成紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，從而形成一種有數(shù)字兼容接口的RGB顏色傳感器，它可以直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于其輸出為數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)彩色通道10位以上的轉(zhuǎn)換精度。因此，在轉(zhuǎn)換過程中不需要A/D轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

TCS230的功能框圖如圖2所示。

圖2 TCS230功能框圖Fig.2 Functional block diagram of TCS230

圖2中，引腳S0和S1用于選擇輸出不同比例因子或電源關(guān)斷模式，并可以對(duì)輸出范圍進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的需求;引腳S2和S3用于選擇不同的顏色濾光器;OE為使能引腳，也可作為片選信號(hào);OUT為頻率輸出引腳;GND為芯片的接地引腳;VCC為芯片提供相應(yīng)的工作電壓。

自然界中的顏色都是由紅、綠、藍(lán)三原色混合組成的。因此，對(duì)顏色的檢測(cè)實(shí)際就是對(duì)紅、綠、藍(lán)值的檢測(cè)，TCS230就是通過控制S2和S3，選通不同顏色濾波器，經(jīng)過濾波后，分別得到R、G、B的值，最后通過數(shù)據(jù)處理獲得待測(cè)的顏色。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡PCI-1716

PCI-1716是一款高分辨率多功能的PCI數(shù)據(jù)采集卡［5］，適用于儀器測(cè)試、圖形處理、視頻數(shù)字化處理及聲音與振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。它采用16位的A/D轉(zhuǎn)換器，1 kB的FIFO緩沖器，采樣速率達(dá)250 kS/s;可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，采集卡的這些輸入可以單一使用，也可以組合輸入;采集卡帶有2個(gè)16位的D/A輸出通道、16路數(shù)字量輸入/輸出通道和1個(gè)10 MHz的16位計(jì)數(shù)器通道。

同時(shí)，PCI-1716還是一款即插即用的采集卡，只要將設(shè)計(jì)好的電路板直接與采集卡相連，再通過相應(yīng)的DLL驅(qū)動(dòng)控制，就可以采集到需要的數(shù)據(jù)。

3 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用研華“Advantech DLL Driver”驅(qū)動(dòng)軟件中的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)軟件控制。設(shè)計(jì)調(diào)用了DRV_DeviceOpen()函數(shù)開啟整個(gè)虛擬設(shè)備，再通過對(duì)其他功能模塊進(jìn)行配置和連接，從而完成PCI-1716與LabVIEW的通信，同時(shí)控制TCS230的顏色檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)充分利用了LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，將采集到的數(shù)據(jù)按需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，加上友好的人機(jī)交互界面，則形成了一種實(shí)用、方便的顏色檢測(cè)系統(tǒng)。

在程序構(gòu)架中，系統(tǒng)采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)將所有程序包含在內(nèi)，每個(gè)順序結(jié)構(gòu)里面主要采用了While循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)的嵌套。在條件結(jié)構(gòu)中，給出一定的定時(shí)條件，當(dāng)條件滿足要求時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器便開始計(jì)數(shù)并顯示。

程序首先運(yùn)行的是白平衡的RGB計(jì)數(shù)，然后是顏色檢測(cè)的RGB初始計(jì)數(shù)，最后經(jīng)過數(shù)學(xué)方法處理，得到所檢測(cè)顏色的真實(shí)RGB值。

轉(zhuǎn)換公式為［6］:

式中:P為平衡值，平衡值為最終測(cè)得顏色的R、G、B值，即R、G、B;Y為原始值，原始值為顏色檢測(cè)時(shí)測(cè)得的初始數(shù)據(jù)，即R1、G1、B1;C為參考值，參考值為白平衡時(shí)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，即CR、CG、CB。

程序中設(shè)定了“白平衡”和“顏色檢測(cè)”兩個(gè)按鍵。

①“白平衡”執(zhí)行的是讀取白平衡原始數(shù)據(jù)，以供顏色檢測(cè)的使用。具體步驟是:由軟件開啟采集卡后，通過PC-LAB WT-B模塊對(duì)采集卡寫入命令，控制S0、S1、S2和 S3，經(jīng)過 10 ms 的定時(shí)后，由 PC-LAB ENVENT READ模塊讀取這段時(shí)間內(nèi)采集卡計(jì)數(shù)器的數(shù)值，并傳送到LabVIEW的前面板顯示。

②“顏色檢測(cè)”過程是重復(fù)“白平衡”的過程。

最后，這兩部分的數(shù)據(jù)經(jīng)過LabVIEW自帶的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在前面板顯示最終的RGB值，以還原為所檢測(cè)的顏色。

顏色檢測(cè)系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 顏色檢測(cè)系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart of the color detection system

4 結(jié)束語

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用研華開發(fā)的通用“Advantech DLL Driver”驅(qū)動(dòng)軟件及其配備的LabVIEW驅(qū)動(dòng)，結(jié)合LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI-1716和TCS230的控制;同時(shí)，采用LabVIEW本身的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和保存。相對(duì)其他的顏色檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助LabVIEW軟件進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，大大降低了通信的復(fù)雜度、減少了設(shè)計(jì)的工作量、提高了自動(dòng)化程度，為國(guó)內(nèi)的顏色檢測(cè)工業(yè)提供一種新的檢測(cè)方法。

［1］龐小兵.在線顏色識(shí)別傳感技術(shù)的研究［D］長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.

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［5］王夢(mèng)玲，王思明.基于PCI-1713和LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006(19):120 －122.

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