ARM7-VxWorKs的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)彩色分析虛擬儀器

特種光源、彩色顯示等行業(yè)的基礎(chǔ)是彩色的還原與傳遞，在光學(xué)計(jì)量領(lǐng)域?qū)儆诠庠吹墓舛群蜕扔?jì)量范疇，色坐標(biāo)和亮度因數(shù)是主要的參數(shù)之一。光度、色度測(cè)試系統(tǒng)的性能，在高清晰度數(shù)字電視的白場(chǎng)基準(zhǔn)測(cè)試、高清晰度數(shù)字?jǐn)z像機(jī)白平衡校準(zhǔn)以及半導(dǎo)體光電二極管LED照明和全彩色顯示的白場(chǎng)均勻性測(cè)試等領(lǐng)域發(fā)揮著基礎(chǔ)性關(guān)鍵作用。
人眼的視覺(jué)可以感受380nm～780nto范圍內(nèi)的光信號(hào)，但對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度不同。l924年國(guó)際照明委員會(huì)CIE公布了2。視場(chǎng)明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)V(γ)[1]。仿真人眼亮度感受的光度探測(cè)器通常是由光電二極管PIN構(gòu)成的，核心是利用濾色玻璃將PIN的光譜光視效率修正得與(V)盡可能地相似。人眼對(duì)色彩的感受來(lái)源于人眼視網(wǎng)膜上的3種錐體細(xì)胞，分別對(duì)應(yīng)紅紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色。但RGB色度系統(tǒng)的色度函群在某些波段為負(fù)值，難于理解和計(jì)算，因此目前最常CIEl931 xyY坐標(biāo)系統(tǒng)。其中Y代表亮度，xy分代表紅色和綠色的色度，藍(lán)色的色度是紅色和綠色的色度補(bǔ)值，其光譜函數(shù)稱為ClEl93l 2。視場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)觀察者色度函數(shù)，分別用X(λ)、和z(λ)表示，其中y(λ)=V(λ)，如圖1所示。

在彩色電視白場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域，通常采用由與圖1 色度變換(I／V)構(gòu)成集成化探頭，而將A／D變換與色度計(jì)算等工作交給PC機(jī)處理，例如美國(guó)Klein公司的K5／10系列。利用PC軟件技術(shù)，K5／10系列增加了頻譜分析功能，可以分析O～100Hz內(nèi)的電視及計(jì)算機(jī)顯示器的“閃爍”，是CAl00／200系列所不能完成的。
在本文的工作中，筆者設(shè)計(jì)制作了CSE808新型的彩色分析虛擬儀器，特點(diǎn)在于將虛擬儀器的概念擴(kuò)展到通信系統(tǒng)層的資源共享。采用ARM7TDMI內(nèi)核的三星4510B硬件通信系統(tǒng)以及Vxworks嵌入式軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了3路16位并行20kHz采樣率的光度色度數(shù)據(jù)采集，并采用100M以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，領(lǐng)先于美國(guó)Klein公司的K5／10系列彩色分析儀。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)在“刷新頻率”、“響應(yīng)時(shí)間”等與顯示器相關(guān)的瞬態(tài)光度色度計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域具有重要意義，在航空閃光警示燈質(zhì)量檢定領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 CsE808彩色分析虛擬儀器的設(shè)計(jì)
1.1總體設(shè)計(jì)方案
由于電視及顯示器的幀頻或刷新率一般在l00Hz以內(nèi)，因此系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以進(jìn)行3路并行10kHz取樣率、12位精度以上的實(shí)時(shí)彩色分析，如此的數(shù)據(jù)量采用傳統(tǒng)的RS232串口(通常幾十Kb／s)以及IEEE488(GPIB，通常幾Mb／s)接口都不能保證實(shí)時(shí)性，必須采用更高帶寬的探測(cè)器與虛擬儀器主機(jī)系統(tǒng)互連方案。一種當(dāng)前普遍采用的方案是基于ISA／PcI接口的插卡式A／D，但模擬信號(hào)需要從現(xiàn)場(chǎng)到主機(jī)進(jìn)行傳輸，距離受到很大限制。電視或顯示器工廠需要生產(chǎn)線在線彩色分析系統(tǒng)，要求具有可擴(kuò)展、可管理、遠(yuǎn)程、多探測(cè)系統(tǒng)并行工作等能力，因此采用了TCP／IP協(xié)議以及100M以太網(wǎng)的傳輸方案，以滿足以上需求，但缺點(diǎn)是比較復(fù)雜。虛擬儀器概念的核心應(yīng)該不僅僅局限于軟件，而是擴(kuò)展到更廣義的資源共享。美國(guó)的NI公司提出“軟件就是儀器"，在本文中，提出“資源共享就是虛擬儀器”，并把這種思想應(yīng)用到彩色分析虛擬儀器的系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)上。具體而言，將比較復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議以及100M以太網(wǎng)傳輸部分用通用的通信系統(tǒng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體采用的是目前比較成熟的ARM7TDMI內(nèi)核的韓國(guó)三星4510B通信系統(tǒng)板，未來(lái)的工業(yè)級(jí)應(yīng)用可以考慮移植到Atmel公司的系統(tǒng)上。這種深入到數(shù)據(jù)傳輸層面虛擬儀器方案的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與通用通信系統(tǒng)板的互連，筆者采用FPGA來(lái)完成接口轉(zhuǎn)換。采集到的數(shù)據(jù)封裝成TCP／IP包的過(guò)程由嵌入在通信系統(tǒng)板上的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

色度探測(cè)器是加色度濾色片的光電二極管PIN，輸出信號(hào)為光電流，強(qiáng)度與PIN接收面上光的照度成正比。信號(hào)調(diào)理部分由兩部分構(gòu)成，首先是光電流經(jīng)l／V變換為電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)2級(jí)電壓放大，由換檔開關(guān)決定放大倍數(shù)。信號(hào)調(diào)理部分在保證30kHz帶寬的情況下盡量減小噪聲是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于是并行彩色分析，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了3路16位A／D，為了盡量簡(jiǎn)化引腳引線，因此采用了串行輸出的A／D。