ARM7-VxWorKs的網絡化實時彩色分析虛擬儀器

特種光源、彩色顯示等行業(yè)的基礎是彩色的還原與傳遞，在光學計量領域屬于光源的光度和色度計量范疇，色坐標和亮度因數(shù)是主要的參數(shù)之一。光度、色度測試系統(tǒng)的性能，在高清晰度數(shù)字電視的白場基準測試、高清晰度數(shù)字攝像機白平衡校準以及半導體光電二極管LED照明和全彩色顯示的白場均勻性測試等領域發(fā)揮著基礎性關鍵作用。
人眼的視覺可以感受380nm～780nto范圍內的光信號，但對不同波長光的敏感程度不同。l924年國際照明委員會CIE公布了2。視場明視覺光譜光視效率函數(shù)V(γ)[1]。仿真人眼亮度感受的光度探測器通常是由光電二極管PIN構成的，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。人眼對色彩的感受來源于人眼視網膜上的3種錐體細胞，分別對應紅紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色。但RGB色度系統(tǒng)的色度函群在某些波段為負值，難于理解和計算，因此目前最常CIEl931 xyY坐標系統(tǒng)。其中Y代表亮度，xy分代表紅色和綠色的色度，藍色的色度是紅色和綠色的色度補值，其光譜函數(shù)稱為ClEl93l 2。視場標準觀察者色度函數(shù)，分別用X(λ)、和z(λ)表示，其中y(λ)=V(λ)，如圖1所示。

在彩色電視白場測試領域，通常采用由與圖1 色度變換(I／V)構成集成化探頭，而將A／D變換與色度計算等工作交給PC機處理，例如美國Klein公司的K5／10系列。利用PC軟件技術，K5／10系列增加了頻譜分析功能，可以分析O～100Hz內的電視及計算機顯示器的“閃爍”，是CAl00／200系列所不能完成的。
在本文的工作中，筆者設計制作了CSE808新型的彩色分析虛擬儀器，特點在于將虛擬儀器的概念擴展到通信系統(tǒng)層的資源共享。采用ARM7TDMI內核的三星4510B硬件通信系統(tǒng)以及Vxworks嵌入式軟件實時操作系統(tǒng)，實現(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以太網和TCP／IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，領先于美國Klein公司的K5／10系列彩色分析儀。預計該系統(tǒng)在“刷新頻率”、“響應時間”等與顯示器相關的瞬態(tài)光度色度計量測試領域具有重要意義，在航空閃光警示燈質量檢定領域也具有重要應用價值。

1 CsE808彩色分析虛擬儀器的設計
1.1總體設計方案
由于電視及顯示器的幀頻或刷新率一般在l00Hz以內，因此系統(tǒng)的總體設計目標是可以進行3路并行10kHz取樣率、12位精度以上的實時彩色分析，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)接口都不能保證實時性，必須采用更高帶寬的探測器與虛擬儀器主機系統(tǒng)互連方案。一種當前普遍采用的方案是基于ISA／PcI接口的插卡式A／D，但模擬信號需要從現(xiàn)場到主機進行傳輸，距離受到很大限制。電視或顯示器工廠需要生產線在線彩色分析系統(tǒng)，要求具有可擴展、可管理、遠程、多探測系統(tǒng)并行工作等能力，因此采用了TCP／IP協(xié)議以及100M以太網的傳輸方案，以滿足以上需求，但缺點是比較復雜。虛擬儀器概念的核心應該不僅僅局限于軟件，而是擴展到更廣義的資源共享。美國的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”，并把這種思想應用到彩色分析虛擬儀器的系統(tǒng)互連設計上。具體而言，將比較復雜的TCP／IP協(xié)議以及100M以太網傳輸部分用通用的通信系統(tǒng)板來實現(xiàn)，具體采用的是目前比較成熟的ARM7TDMI內核的韓國三星4510B通信系統(tǒng)板，未來的工業(yè)級應用可以考慮移植到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現(xiàn)難點在于，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來完成接口轉換。采集到的數(shù)據(jù)封裝成TCP／IP包的過程由嵌入在通信系統(tǒng)板上的VxWorks實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

色度探測器是加色度濾色片的光電二極管PIN，輸出信號為光電流，強度與PIN接收面上光的照度成正比。信號調理部分由兩部分構成，首先是光電流經l／V變換為電壓信號，然后再經過2級電壓放大，由換檔開關決定放大倍數(shù)。信號調理部分在保證30kHz帶寬的情況下盡量減小噪聲是設計的關鍵。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，為了盡量簡化引腳引線，因此采用了串行輸出的A／D。