摘 要： 以三刺激色以及色度學(xué)檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化。使用掃描儀作為系統(tǒng)輸入，然后通過使用USB數(shù)據(jù)總線完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)USB接口芯片直接給單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)棉纖維的白度的測(cè)量，從而方便、快捷、準(zhǔn)確地測(cè)量出棉纖維的白度。
關(guān)鍵詞： 棉纖維； 單片機(jī)； 三刺激值
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棉花是經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的農(nóng)產(chǎn)品，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是紡織工業(yè)的重要原料，是出口換匯的重要商品，是人民生活中不可缺少的重要物資，它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。構(gòu)成棉花經(jīng)濟(jì)價(jià)值的特性有類別、品級(jí)、長(zhǎng)度、水分、雜質(zhì)、衣分、成熟度、細(xì)度、強(qiáng)度等指標(biāo)。這些指標(biāo)都要通過棉纖維檢測(cè)技術(shù)" title="檢測(cè)技術(shù)">檢測(cè)技術(shù)工作進(jìn)行測(cè)試和評(píng)定。目前，我國(guó)更新紡織棉花品級(jí)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)仍以手工目測(cè)、憑直觀和經(jīng)驗(yàn)制作。若將已更新仿制號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)通過測(cè)色儀進(jìn)行測(cè)試，逐步走向手工目測(cè)與儀器測(cè)色相結(jié)合的道路，這是我國(guó)更新仿制棉花品級(jí)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的改革方向。
上世紀(jì)50年代初，美國(guó)GARDNER公司生產(chǎn)了尼克遜-亨特（Niekerson-Hunter)棉花測(cè)色儀，其后美國(guó)思彬萊（SPINLAB）公司對(duì)測(cè)色儀作了改進(jìn)，研制成235型棉花測(cè)色儀。此型號(hào)一直被美國(guó)農(nóng)業(yè)部作為基準(zhǔn)儀器之一，并用來測(cè)定棉花品級(jí)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的色征。70年代，思彬萊公司和MCI公司共同研制出HVI大容量棉纖維測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)色儀，該儀器采用了微處理機(jī)和數(shù)字顯示。80年代，思彬萊公司又研制出HVI800系統(tǒng)的830型和HVI900系統(tǒng)的930型測(cè)色儀，MCI公司又研制出HVI4000系統(tǒng)421型測(cè)色儀。近年來，我國(guó)亦研制了棉花測(cè)色儀。這些儀器的基本原理相同，采用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，并打印出測(cè)試結(jié)果，在自動(dòng)化程度方面有了很大提高。在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合圖像處理技術(shù)用掃描儀來檢測(cè)棉花纖維，系統(tǒng)通過USB接口接收數(shù)據(jù)，在單片機(jī)系統(tǒng)" title="單片機(jī)系統(tǒng)">單片機(jī)系統(tǒng)中通過計(jì)算與預(yù)定的白度值比較，得出棉纖維的平均白度數(shù)據(jù)，并由LCD顯示器輸出，通過打印機(jī)打印出來。系統(tǒng)最終在探測(cè)頭檢測(cè)到的信號(hào)是圖像。使得棉纖維的測(cè)色更方便、可靠、經(jīng)濟(jì)，因此，市場(chǎng)前景較廣闊。
1 檢測(cè)原理
1.1 三刺激色原理
國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)選取的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)分別為：紅光R，λ1=700nm；綠光G，λ2=546nm；藍(lán)光B，λ3=435.8nm。光顏色的匹配表示為：C=rR+gG+bB。該式中的權(quán)值會(huì)有負(fù)值(實(shí)際上不存在負(fù)的光強(qiáng)),而且計(jì)算極不方便，也不易理解。因此，1931年的CIE-XYZ系統(tǒng)利用三種假想的標(biāo)準(zhǔn)原色X（紅）、Y（綠）、Z（藍(lán)），使人們能夠得到的顏色匹配函數(shù)的三刺激值" title="三刺激值">三刺激值都是正值。光顏色匹配函數(shù)定義為：c=xX+yY+Zz 用R、G、B三原色的單位向量可以定義一個(gè)三維顏色空間，該三維向量空間稱為(R、G、B)三刺激空間，該空間落在第一象限，向量的方向由三刺激的值確定。為了在二維空間中表示顏色，取一個(gè)截面通過(R)、(G)、(B)三個(gè)坐標(biāo)軸上離原點(diǎn)長(zhǎng)度為1的點(diǎn)，方程為(R)＋(G)＋(B)＝1。截面與三個(gè)坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個(gè)等邊三角形，稱為色度圖。每一個(gè)顏色刺激向量與該面都有一個(gè)交點(diǎn)，因而色度圖可以表示三刺激空間中的所有顏色值，同時(shí)交點(diǎn)的個(gè)數(shù)是唯一的。把可見光色度圖投影到XY平面上，所得到的馬蹄形區(qū)域稱為CIE色度圖，區(qū)域的邊界和內(nèi)部代表了所有可見光的色度值，色度圖的邊界彎曲部分代表了光譜在某種純度為百分之百的色光，中央的一點(diǎn)表示標(biāo)準(zhǔn)白光。
1.2 白度算法
計(jì)算物體色的三刺激值的等間隔波長(zhǎng)法算法如下：
式中,λ為波長(zhǎng)，R(λ)為波長(zhǎng)的反射率，E(λ)為該波的能量，由亨特公式：
可算出試樣的亨特參數(shù)，其中x、y、z為已算出的三刺激值,由斯坦斯拜公式可得棉纖維的白度為：W=L+3a-3b,? 根據(jù)CIE白度評(píng)價(jià)得W>40時(shí),可定義為該試樣為白色。2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,主要硬件設(shè)備包括：掃描儀、USB接口電路、單片機(jī)系統(tǒng)、Flash存儲(chǔ)器、鍵盤、LCD顯示器、微型打印機(jī)。
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2.1數(shù)據(jù)輸入模塊
系統(tǒng)采用明基電通的平板式掃描儀。此掃描儀的USB接口采用DATA數(shù)據(jù)包傳送數(shù)據(jù)，其總線傳輸模式為塊傳送模式。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：
(1)主程序在內(nèi)存中開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通過標(biāo)準(zhǔn)USB命令字向外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求(IRPs)。
(2) USB系統(tǒng)軟件對(duì)該IRPs的翻譯形成Token數(shù)據(jù)包發(fā)送到外設(shè)，這時(shí)主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。
(3) 外設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行NRZI解碼和bit Unstuffing操作及CRC校驗(yàn)，確認(rèn)后接收主機(jī)PID字段中所包含的命令并開始采集數(shù)據(jù)。
(4) 采集到的并行數(shù)據(jù)首先進(jìn)入FIFO，并通過并/串轉(zhuǎn)換部件形成串行脈沖。
(5) 根據(jù)器件配置寄存器的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符合條件的分割，以形成原始數(shù)據(jù)包。
(6) 通過CRC校驗(yàn)產(chǎn)生器對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包生成CRC校驗(yàn)碼字段，SOP & EOP信號(hào)產(chǎn)生器為該數(shù)據(jù)包加入同步字段頭和數(shù)據(jù)包結(jié)束符。
(7) 數(shù)據(jù)包的NRZI編碼和bit Stuffing操作。
(8) 使用收發(fā)器(Transreceiver)將數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)到USB線纜上。
(9) 主機(jī)控制器將USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為普通的“純”圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理；在數(shù)據(jù)被成功傳送后，主機(jī)還會(huì)向外設(shè)發(fā)送ACK的握手?jǐn)?shù)據(jù)包作為回應(yīng)。
2.2 控制計(jì)算模塊
控制計(jì)算是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，而單片機(jī)又是控制計(jì)算部分的核心，內(nèi)部存儲(chǔ)了本設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，控制計(jì)算部分不僅將對(duì)進(jìn)入單片機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，而且控制連接存儲(chǔ)器，人機(jī)接口及數(shù)據(jù)輸出等各個(gè)模塊的工作。此外，對(duì)于計(jì)算中的各種參數(shù)以及各種計(jì)算結(jié)果，還要有一個(gè)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行暫時(shí)的存放，以便于隨時(shí)調(diào)用。
2.3 數(shù)據(jù)輸出模塊
該模塊由三個(gè)部分組成：LCD顯示器，顯示簡(jiǎn)單的菜單功能等操作界面；鍵盤，與單片機(jī)相連接，與顯示器一起組成人機(jī)接口；微型打印機(jī)，打印輸出圖像數(shù)據(jù)等結(jié)果。
本設(shè)計(jì)基于I2C總線的單片機(jī)系統(tǒng)，而I2C總線是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線，所以本設(shè)計(jì)根據(jù)串行連接的時(shí)序圖進(jìn)行連接和調(diào)試。設(shè)計(jì)采用RAM提供的64×2個(gè)位元組的空間，最多可以控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型" title="字型">字型顯示，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)到RAM時(shí)，可以分別顯示CGROM、HCGROM與CGRAM的字型；三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇在0000H～0006H的編碼中將自動(dòng)地結(jié)合下一個(gè)位元組，組成兩個(gè)位元組的編碼構(gòu)成中文字型的編碼（A140-D75F）。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)
主控制板選擇了臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的W77E58芯片。它是與MCS51系列單片機(jī)兼容的可多次編程的快速微處理器，在它內(nèi)部集成有32KB的可重復(fù)編程的Flash ROM、256B的片內(nèi)存儲(chǔ)器、1KB的用MOVX指令訪問的SRAM、可編程的看門狗定時(shí)器、3個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)增強(qiáng)型的全雙工串行口、片內(nèi)RC振蕩器、雙16位數(shù)據(jù)指針等諸多功能。在很多場(chǎng)合，幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求，而且，由于它采用了全新設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核，去除多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期，因此，在相同的晶振頻率下，根據(jù)不同的指令類型，其運(yùn)行速度一般比傳統(tǒng)8051系列快1.5～3倍，一般情況下，平均可達(dá)2.5倍以上。由于系統(tǒng)要求在斷電時(shí)能夠保存當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)，所以還需要外部擴(kuò)展EEPROM芯片。系統(tǒng)采用了Atmel的AT24C01芯片，其特點(diǎn)是：2線制的EEPROM，占用的I/O口少，芯片體積小，僅有8個(gè)管腳。
在以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)中的RS-232CC接口進(jìn)行計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的命令和數(shù)據(jù)傳送，就可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。但由于計(jì)算機(jī)上的RS-232C接口采用非平衡傳輸方式，易受地線干擾，因此，信號(hào)地之間的電位差會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾。另外，信號(hào)幅度大，增加了線間干擾，傳輸距離短(小于15m～20m)，速率低(小于20Kb/s)。而RS422或RS485通信標(biāo)準(zhǔn)，克服了RS-232C的以上缺點(diǎn)，且可與其完全兼容，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)的采集是通過普通掃描儀實(shí)現(xiàn)的，而普通掃描儀大都采用USB接口。當(dāng)前可供選擇的USB控制器很多，如朗迅公司的USS820、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NI）的USBN9602。另外，還有將微控制器和USB控制器集成在一起的芯片,如INTEL公司的8x930Hx和8x930Ax等,而本系統(tǒng)選擇了INTEL公司的8x930Hx，它支持USB集線器功能。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)開始工作后先要對(duì)內(nèi)存、LCD顯示屏、外部存儲(chǔ)器單元進(jìn)行初始化；由人機(jī)接口確定是否開始檢測(cè)，由于采用掃描儀作為圖像輸入，而單片機(jī)接收到的是位圖信號(hào)，即單片機(jī)處理的是像素信息。因此在編程時(shí)，考慮先逐個(gè)測(cè)算每個(gè)像素的白度信息，然后統(tǒng)計(jì)所有為白色的像素，最終算出棉纖維的平均白度。主程序流程圖如圖2所示。
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棉纖維檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，棉纖維檢測(cè)儀的市場(chǎng)十分巨大。一方面，隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)的紡織工業(yè)必將蓬勃發(fā)展，人們對(duì)紡織品包括棉纖維的檢測(cè)技術(shù)要求越來越高；另一方面，隨著新一輪技術(shù)革命的繼續(xù)深入，信息化、數(shù)字化已是當(dāng)今科技的主流。紡織行業(yè)的復(fù)蘇為棉纖維檢測(cè)帶來了生機(jī)。作為紡織業(yè)的主要原料，棉纖維的質(zhì)量檢測(cè)顯得尤為重要，以自動(dòng)化，智能化為特點(diǎn)的的新一代棉纖維檢測(cè)儀，使得測(cè)試工作更加快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，受到廠商的歡迎。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制器存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、控制器和上位機(jī)的通信、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及鍵盤的功能選擇等。由于采用了USB總線技術(shù)，省去了中間的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，此項(xiàng)技術(shù)必將淘汰先前的光電檢測(cè)技術(shù)。系統(tǒng)已在江蘇某公司成功應(yīng)用,效果顯著。
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