嵌入式测色仪系统设计

　　以往人们通常用语言或文字来表达各种颜色,但不同的地区、不同的人种对同一种颜色的表达是不一致的。而且颜色种类繁多,不可能用语言将各种颜色清楚地表达出来。为了定量地将颜色表达出来并且具有一定的通用性,必须遵循一定的规范和标准。颜色科学是一门综合性科学,关系到视觉学、生理、心理、光学、电子、精密机械等学科。颜色测量仪器是应用以上学科原理并结合计算机技术,把颜色数值量化的仪器,这样人们只要根据仪器所测得的数值就能分辨出所测的是一种什么颜色。

　　随着计算机及微电子技术的不断发展,嵌入式计算机的硬件及软件系统被逐渐广泛应用到测量仪器领域。数字化测量仪器逐渐向高集成度,多功能、智能化、网络化以及微型化发展。近年来,用于微控制行业的单片微型控制计算机得到了前所未有的发展,经历了从单片微型计算机到微控制器(MCU)和混合信号系统级芯片(SoC)的变迁。采用嵌入式混合信号系统级微控制器(MCU)芯片以及嵌入式编程语言可以方便快速开发出高集成度和复杂度的测量仪器。

　　1　系统概述

　　颜色测量的原理、数据和计算方法是以2组现代色度学的基本视觉实验数据为基础的,一组是CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值(即XYZ表色系统),适于1°~4°视场的颜色测量;另一组是CIE 1964补充标准观察者光谱三刺激值(即X10、Y10、Z10表色系统),适于大于4°视场的颜色测量。并且CIE规定必须在明视觉条件下使用这2组标准观察者的数据。我国国家标准(GB3977-83)“颜色的表示方法”中要求,在XYZ色度系统中,采用色品坐标x、y和刺激值Y10表示;X10, Y10,Z10色度系统中,采用色品坐标x10,y10和刺激值Y10表示,也就是一组x,y, Y值就对应一种颜色。

　　本测色系统要求通过一定的探测器模仿标准眼,获得被探测物体表面的红、绿、蓝反射光,然后进行光电转换,将其转换成三路0~2.4 V电压信号。进一步将获得的电压信号转换为符合国际通用表色系统X, Y,Z。根据转换成的X, Y,Z值计算获得以下数值:

　　①物体颜色的绝对值:X10Y10Z10,x10y10z10,L*a*b*,Lab;

　　②色差:ΔE*ab,ΔL*,Δa*,Δb*,ΔEH,ΔL,Δa,Δb;

　　③白度W:由于国内各行业分别制定了适于本行业的理想白度公式,为了使系统尽量适用于各行业,分别根据各行业的白度公式计算白度,其中包括甘茨白度、亨特白度、兰光白度、建材白度、白水泥白度、日用陶瓷白度。

　　④黄度指数Yi及变黄度ΔYi

　　⑤彩度C及色调角H

　　⑥根据我国纺织行业标准FZ/TO1023-93,纺织品沾色牢度SSR及变色牢度GS[1]。

　　根据以上要求,该测色仪系统需要完成从光信号到电信号以及再从模拟信号到数字信号的转换(A/D),同时还要进行大量的数据处理和复杂计算以获得所需要的各种颜色数值。另外,为了具备良好的人机交互界面,需要在液晶显示屏上显示一定的菜单和图标,以及将计算结果以数值和曲线的方式显示给用户,并且要根据用户要求将数据打印输出。嵌入式系统单片机的计算功能及运算速度是有限的,为了进行更复杂的计算,还需要与通用计算机进行通信,将数据上传到计算机进行单片机无法处理的复杂运算,以及为了以后软件的升级,需要有一定的接口与计算机进行连接,将升级程序直接下载到系统的闪存中即可以完成系统软件的升级。