基于单片机的棉纤维测色仪系统研究
2008-12-19
作者：殷开成1, 于伟东2, 1
摘 要： 以三刺激色以及色度学检测原理为基础，运用单片机实现检测的自动化、智能化。使用扫描仪作为系统输入，然后通过使用USB数据总线完成模数转换，经USB接口芯片直接给单片机以数字信号进行数据处理，完成对棉纤维的白度的测量，从而方便、快捷、准确地测量出棉纤维的白度。
关键词： 棉纤维； 单片机； 三刺激值
棉花是经济价值很高的农产品，是国民经济的重要支柱，是纺织工业的重要原料，是出口换汇的重要商品，是人民生活中不可缺少的重要物资，它在农业生产中占有重要地位。构成棉花经济价值的特性有类别、品级、长度、水分、杂质、衣分、成熟度、细度、强度等指标。这些指标都要通过棉纤维检测技术" title="检测技术">检测技术工作进行测试和评定。目前，我国更新纺织棉花品级实物标准仍以手工目测、凭直观和经验制作。若将已更新仿制号的标准通过测色仪进行测试，逐步走向手工目测与仪器测色相结合的道路，这是我国更新仿制棉花品级实物标准的改革方向。
上世纪50年代初，美国GARDNER公司生产了尼克逊-亨特（Niekerson-Hunter)棉花测色仪，其后美国思彬莱（SPINLAB）公司对测色仪作了改进，研制成235型棉花测色仪。此型号一直被美国农业部作为基准仪器之一，并用来测定棉花品级实物标准的色征。70年代，思彬莱公司和MCI公司共同研制出HVI大容量棉纤维测试系统中的测色仪，该仪器采用了微处理机和数字显示。80年代，思彬莱公司又研制出HVI800系统的830型和HVI900系统的930型测色仪，MCI公司又研制出HVI4000系统421型测色仪。近年来，我国亦研制了棉花测色仪。这些仪器的基本原理相同，采用计算机处理数据，并打印出测试结果，在自动化程度方面有了很大提高。在此技术的基础上，本文结合图像处理技术用扫描仪来检测棉花纤维，系统通过USB接口接收数据，在单片机系统" title="单片机系统">单片机系统中通过计算与预定的白度值比较，得出棉纤维的平均白度数据，并由LCD显示器输出，通过打印机打印出来。系统最终在探测头检测到的信号是图像。使得棉纤维的测色更方便、可靠、经济，因此，市场前景较广阔。
1 检测原理
1.1 三刺激色原理
国际照明委员会(CIE)选取的标准波长分别为：红光R，λ1=700nm；绿光G，λ2=546nm；蓝光B，λ3=435.8nm。光颜色的匹配表示为：C=rR+gG+bB。该式中的权值会有负值(实际上不存在负的光强),而且计算极不方便，也不易理解。因此，1931年的CIE-XYZ系统利用三种假想的标准原色X（红）、Y（绿）、Z（蓝），使人们能够得到的颜色匹配函数的三刺激值" title="三刺激值">三刺激值都是正值。光颜色匹配函数定义为：c=xX+yY+Zz 用R、G、B三原色的单位向量可以定义一个三维颜色空间，该三维向量空间称为(R、G、B)三刺激空间，该空间落在第一象限，向量的方向由三刺激的值确定。为了在二维空间中表示颜色，取一个截面通过(R)、(G)、(B)三个坐标轴上离原点长度为1的点，方程为(R)＋(G)＋(B)＝1。截面与三个坐标平面的交线构成一个等边三角形，称为色度图。每一个颜色刺激向量与该面都有一个交点，因而色度图可以表示三刺激空间中的所有颜色值，同时交点的个数是唯一的。把可见光色度图投影到XY平面上，所得到的马蹄形区域称为CIE色度图，区域的边界和内部代表了所有可见光的色度值，色度图的边界弯曲部分代表了光谱在某种纯度为百分之百的色光，中央的一点表示标准白光。
1.2 白度算法
计算物体色的三刺激值的等间隔波长法算法如下：
式中,λ为波长，R(λ)为波长的反射率，E(λ)为该波的能量，由亨特公式：
可算出试样的亨特参数，其中x、y、z为已算出的三刺激值,由斯坦斯拜公式可得棉纤维的白度为：W=L+3a-3b, 根据CIE白度评价得W>40时,可定义为该试样为白色。2 控制系统的构成
系统结构图如图1所示,主要硬件设备包括：扫描仪、USB接口电路、单片机系统、Flash存储器、键盘、LCD显示器、微型打印机。
2.1数据输入模块
系统采用明基电通的平板式扫描仪。此扫描仪的USB接口采用DATA数据包传送数据，其总线传输模式为块传送模式。数据传输的过程如下：
(1)主程序在内存中开辟数据缓冲区，并通过标准USB命令字向外设" title="外设">外设发出数据请求(IRPs)。
(2) USB系统软件对该IRPs的翻译形成Token数据包发送到外设，这时主机进入等待状态。
(3) 外设对数据包进行NRZI解码和bit Unstuffing操作及CRC校验，确认后接收主机PID字段中所包含的命令并开始采集数据。
(4) 采集到的并行数据首先进入FIFO，并通过并/串转换部件形成串行脉冲。
(5) 根据器件配置寄存器的要求对数据进行符合条件的分割，以形成原始数据包。
(6) 通过CRC校验产生器对每一个数据包生成CRC校验码字段，SOP & EOP信号产生器为该数据包加入同步字段头和数据包结束符。
(7) 数据包的NRZI编码和bit Stuffing操作。
(8) 使用收发器(Transreceiver)将数据流驱动到USB线缆上。
(9) 主机控制器将USB数据转化成为普通的“纯”图像数据发送到数据缓冲区以进行数据的进一步处理；在数据被成功传送后，主机还会向外设发送ACK的握手数据包作为回应。
2.2 控制计算模块
控制计算是整个设计的核心部分，而单片机又是控制计算部分的核心，内部存储了本设计的计算方法，控制计算部分不仅将对进入单片机的数据进行计算处理，而且控制连接存储器，人机接口及数据输出等各个模块的工作。此外，对于计算中的各种参数以及各种计算结果，还要有一个外部存储器进行暂时的存放，以便于随时调用。
2.3 数据输出模块
该模块由三个部分组成：LCD显示器，显示简单的菜单功能等操作界面；键盘，与单片机相连接，与显示器一起组成人机接口；微型打印机，打印输出图像数据等结果。
本设计基于I2C总线的单片机系统，而I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线，所以本设计根据串行连接的时序图进行连接和调试。设计采用RAM提供的64×2个位元组的空间，最多可以控制4行16字（64个字）的中文字型" title="字型">字型显示，当写入数据到RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型；三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择在0000H～0006H的编码中将自动地结合下一个位元组，组成两个位元组的编码构成中文字型的编码（A140-D75F）。
3 系统设计
3.1硬件设计
主控制板选择了台湾华邦公司生产的W77E58芯片。它是与MCS51系列单片机兼容的可多次编程的快速微处理器，在它内部集成有32KB的可重复编程的Flash ROM、256B的片内存储器、1KB的用MOVX指令访问的SRAM、可编程的看门狗定时器、3个16位定时器、2个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。在很多场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求，而且，由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期，因此，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1.5～3倍，一般情况下，平均可达2.5倍以上。由于系统要求在断电时能够保存当时的数据，所以还需要外部扩展EEPROM芯片。系统采用了Atmel的AT24C01芯片，其特点是：2线制的EEPROM，占用的I/O口少，芯片体积小，仅有8个管脚。
在以单片机为基础的数据采集和实时控制系统中，通过计算机中的RS-232CC接口进行计算机与单片机之间的命令和数据传送，就可以利用计算机对生产现场进行监测和控制。但由于计算机上的RS-232C接口采用非平衡传输方式，易受地线干扰，因此，信号地之间的电位差会对信号产生较大的干扰。另外，信号幅度大，增加了线间干扰，传输距离短(小于15m～20m)，速率低(小于20Kb/s)。而RS422或RS485通信标准，克服了RS-232C的以上缺点，且可与其完全兼容，所以本系统设计时采用了RS-485通信标准。在系统中，图像数据的采集是通过普通扫描仪实现的，而普通扫描仪大都采用USB接口。当前可供选择的USB控制器很多，如朗迅公司的USS820、美国国家半导体公司（NI）的USBN9602。另外，还有将微控制器和USB控制器集成在一起的芯片,如INTEL公司的8x930Hx和8x930Ax等,而本系统选择了INTEL公司的8x930Hx，它支持USB集线器功能。
3.2 软件设计
系统开始工作后先要对内存、LCD显示屏、外部存储器单元进行初始化；由人机接口确定是否开始检测，由于采用扫描仪作为图像输入，而单片机接收到的是位图信号，即单片机处理的是像素信息。因此在编程时，考虑先逐个测算每个像素的白度信息，然后统计所有为白色的像素，最终算出棉纤维的平均白度。主程序流程图如图2所示。
棉纤维检测技术在国内外发展很快，棉纤维检测仪的市场十分巨大。一方面，随着中国加入WTO，中国的纺织工业必将蓬勃发展，人们对纺织品包括棉纤维的检测技术要求越来越高；另一方面，随着新一轮技术革命的继续深入，信息化、数字化已是当今科技的主流。纺织行业的复苏为棉纤维检测带来了生机。作为纺织业的主要原料，棉纤维的质量检测显得尤为重要，以自动化，智能化为特点的的新一代棉纤维检测仪，使得测试工作更加快速、简便、准确，受到厂商的欢迎。本系统实现了控制器存储器的扩展、控制器和上位机的通信、系统的数据显示以及键盘的功能选择等。由于采用了USB总线技术，省去了中间的模数转换部分，此项技术必将淘汰先前的光电检测技术。系统已在江苏某公司成功应用,效果显著。
参考文献
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