摘 要： 以三刺激色以及色度學(xué)檢測原理為基礎(chǔ)，運用單片機實現(xiàn)檢測的自動化、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以數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，完成對棉纖維的白度的測量，從而方便、快捷、準(zhǔn)確地測量出棉纖維的白度。
關(guān)鍵詞： 棉纖維； 單片機； 三刺激值
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棉花是經(jīng)濟價值很高的農(nóng)產(chǎn)品，是國民經(jīng)濟的重要支柱，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)濟價值的特性有類別、品級、長度、水分、雜質(zhì)、衣分、成熟度、細度、強度等指標(biāo)。這些指標(biāo)都要通過棉纖維檢測技術(shù)" title="檢測技術(shù)">檢測技術(shù)工作進行測試和評定。目前，我國更新紡織棉花品級實物標(biāo)準(zhǔn)仍以手工目測、憑直觀和經(jīng)驗制作。若將已更新仿制號的標(biāo)準(zhǔn)通過測色儀進行測試，逐步走向手工目測與儀器測色相結(jié)合的道路，這是我國更新仿制棉花品級實物標(biāo)準(zhǔn)的改革方向。
上世紀(jì)50年代初，美國GARDNER公司生產(chǎn)了尼克遜-亨特（Niekerson-Hunter)棉花測色儀，其后美國思彬萊（SPINLAB）公司對測色儀作了改進，研制成235型棉花測色儀。此型號一直被美國農(nóng)業(yè)部作為基準(zhǔn)儀器之一，并用來測定棉花品級實物標(biāo)準(zhǔn)的色征。70年代，思彬萊公司和MCI公司共同研制出HVI大容量棉纖維測試系統(tǒng)中的測色儀，該儀器采用了微處理機和數(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型測色儀，MCI公司又研制出HVI4000系統(tǒng)421型測色儀。近年來，我國亦研制了棉花測色儀。這些儀器的基本原理相同，采用計算機處理數(shù)據(jù)，并打印出測試結(jié)果，在自動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)用掃描儀來檢測棉花纖維，系統(tǒng)通過USB接口接收數(shù)據(jù)，在單片機系統(tǒng)" title="單片機系統(tǒng)">單片機系統(tǒng)中通過計算與預(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，通過打印機打印出來。系統(tǒng)最終在探測頭檢測到的信號是圖像。使得棉纖維的測色更方便、可靠、經(jīng)濟，因此，市場前景較廣闊。
1 檢測原理
1.1 三刺激色原理
國際照明委員會(CIE)選取的標(biāo)準(zhǔn)波長分別為：紅光R，λ1=700nm；綠光G，λ2=546nm；藍光B，λ3=435.8nm。光顏色的匹配表示為：C=rR+gG+bB。該式中的權(quán)值會有負(fù)值(實際上不存在負(fù)的光強),而且計算極不方便，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），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，取一個截面通過(R)、(G)、(B)三個坐標(biāo)軸上離原點長度為1的點，方程為(R)＋(G)＋(B)＝1。截面與三個坐標(biāo)平面的交線構(gòu)成一個等邊三角形，稱為色度圖。每一個顏色刺激向量與該面都有一個交點，因而色度圖可以表示三刺激空間中的所有顏色值，同時交點的個數(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，中央的一點表示標(biāo)準(zhǔn)白光。
1.2 白度算法
計算物體色的三刺激值的等間隔波長法算法如下：
式中,λ為波長，R(λ)為波長的反射率，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白度評價得W>40時,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、單片機系統(tǒng)、Flash存儲器、鍵盤、LCD顯示器、微型打印機。
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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)請求(IRPs)。
(2) USB系統(tǒng)軟件對該IRPs的翻譯形成Token數(shù)據(jù)包發(fā)送到外設(shè)，這時主機進入等待狀態(tài)。
(3) 外設(shè)對數(shù)據(jù)包進行NRZI解碼和bit Unstuffing操作及CRC校驗，確認(rèn)后接收主機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數(shù)據(jù)進行符合條件的分割，以形成原始數(shù)據(jù)包。
(6) 通過CRC校驗產(chǎn)生器對每一個數(shù)據(jù)包生成CRC校驗碼字段，SOP & EOP信號產(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)動到USB線纜上。
(9) 主機控制器將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)以進行數(shù)據(jù)的進一步處理；在數(shù)據(jù)被成功傳送后，主機還會向外設(shè)發(fā)送ACK的握手?jǐn)?shù)據(jù)包作為回應(yīng)。
2.2 控制計算模塊
控制計算是整個設(shè)計的核心部分，而單片機又是控制計算部分的核心，內(nèi)部存儲了本設(shè)計的計算方法，控制計算部分不僅將對進入單片機的數(shù)據(jù)進行計算處理，而且控制連接存儲器，人機接口及數(shù)據(jù)輸出等各個模塊的工作。此外，對于計算中的各種參數(shù)以及各種計算結(jié)果，還要有一個外部存儲器進行暫時的存放，以便于隨時調(diào)用。
2.3 數(shù)據(jù)輸出模塊
該模塊由三個部分組成：LCD顯示器，顯示簡單的菜單功能等操作界面；鍵盤，與單片機相連接，與顯示器一起組成人機接口；微型打印機，打印輸出圖像數(shù)據(jù)等結(jié)果。
本設(shè)計基于I2C總線的單片機系統(tǒng)，而I2C總線是一種簡單、雙向二線制同步串行總線，所以本設(shè)計根據(jù)串行連接的時序圖進行連接和調(diào)試。設(shè)計采用RAM提供的64×2個位元組的空間，最多可以控制4行16字（64個字）的中文字型" title="字型">字型顯示，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)到RAM時，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的編碼中將自動地結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼構(gòu)成中文字型的編碼（A140-D75F）。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1硬件設(shè)計
主控制板選擇了臺灣華邦公司生產(chǎn)的W77E58芯片。它是與MCS51系列單片機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)存儲器、1KB的用MOVX指令訪問的SRAM、可編程的看門狗定時器、3個16位定時器、2個增強型的全雙工串行口、片內(nèi)RC振蕩器、雙16位數(shù)據(jù)指針等諸多功能。在很多場合，幾乎不用擴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)計的微處理器內(nèi)核，去除多余的時鐘和存儲周期，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2.5倍以上。由于系統(tǒng)要求在斷電時能夠保存當(dāng)時的數(shù)據(jù)，所以還需要外部擴展EEPROM芯片。系統(tǒng)采用了Atmel的AT24C01芯片，其特點是：2線制的EEPROM，占用的I/O口少，芯片體積小，僅有8個管腳。
在以單片機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中，通過計算機中的RS-232CC接口進行計算機與單片機之間的命令和數(shù)據(jù)傳送，就可以利用計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)測和控制。但由于計算機上的RS-232C接口采用非平衡傳輸方式，易受地線干擾，因此，信號地之間的電位差會對信號產(chǎn)生較大的干擾。另外，信號幅度大，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，且可與其完全兼容，所以本系統(tǒng)設(shè)計時采用了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、美國國家半導(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
系統(tǒng)開始工作后先要對內(nèi)存、LCD顯示屏、外部存儲器單元進行初始化；由人機接口確定是否開始檢測，由于采用掃描儀作為圖像輸入，而單片機接收到的是位圖信號，即單片機處理的是像素信息。因此在編程時，考慮先逐個測算每個像素的白度信息，然后統(tǒng)計所有為白色的像素，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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棉纖維檢測技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，棉纖維檢測儀的市場十分巨大。一方面，隨著中國加入WTO，中國的紡織工業(yè)必將蓬勃發(fā)展，人們對紡織品包括棉纖維的檢測技術(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)蘇為棉纖維檢測帶來了生機。作為紡織業(yè)的主要原料，棉纖維的質(zhì)量檢測顯得尤為重要，以自動化，智能化為特點的的新一代棉纖維檢測儀，使得測試工作更加快速、簡便、準(zhǔn)確，受到廠商的歡迎。本系統(tǒng)實現(xiàn)了控制器存儲器的擴展、控制器和上位機的通信、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，此項技術(shù)必將淘汰先前的光電檢測技術(shù)。系統(tǒng)已在江蘇某公司成功應(yīng)用,效果顯著。
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