顏色檢測系統的設計與實現

陳 曦 趙辰雪

(河北工業大學電氣與自動化學院，天津 300130)

0 引言

近年來，顏色檢測已廣泛應用于各個領域中。目視法、分光光度法和光電積分法是常用的顏色檢測方法［1］。這些測量方法最重要的作用是實現顏色傳感器與上位機的通信，并對實時數據進行處理、顯示和保存。其中，虛擬儀器在通信中起到很重要的作用，它可以實現上位機與測試儀器的一體化，并有望成為現階段及將來測試技術與儀器發展的一個重要方向［2］。美國Applied Color Systems、英國Instrumental Color Systems和瑞士Data Color是世界上3個主要的色控儀器公司［3］。在國內，儀器測色、配色的理論和系統的研究仍處于相當落后的狀態。基于LabVIEW的顏色檢測系統簡化了以往軟件設計的工作量，降低了通信的復雜程度，從而提高了系統的自動化水平。該系統為國內的顏色檢測工業提供了一種新的檢測方法。

1 系統的總體設計

顏色采集系統由顏色傳感器TCS230與數據采集卡PCI-1716組成，其通過研華32位DLL驅動程序接口使PCI-1716與計算機相連，然后與LabVIEW軟件共同構成通信系統。顏色檢測系統的具體工作過程是:首先，LabVIEW通過程序給采集卡設初值進行硬件初始化;然后，由PCI-1716的數字輸出端控制TCS230顏色濾波器的選擇，從而進行顏色數據的采集;接著，PCI-1716將采集的數據傳遞給計算機;最后，利用LabVIEW對數據進行處理、顯示與保存。

顏色檢測系統結構如圖1所示。

圖1 顏色檢測系統結構框圖Fig.1 Structure of the color detection system

2 硬件結構

2.1 顏色傳感器TCS230

顏色傳感器TCS230是美國TAOS公司推出的一種可編程光到頻率的轉換器［4］。它把可配置的硅光電二極管與電流轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，并在同一芯片上集成紅綠藍(RGB)三種濾光器，從而形成一種有數字兼容接口的RGB顏色傳感器，它可以直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于其輸出為數字量，并且能夠實現彩色通道10位以上的轉換精度。因此，在轉換過程中不需要A/D轉換電路，簡化了電路結構。

TCS230的功能框圖如圖2所示。

圖2 TCS230功能框圖Fig.2 Functional block diagram of TCS230

圖2中，引腳S0和S1用于選擇輸出不同比例因子或電源關斷模式，并可以對輸出范圍進行調整，以滿足不同的需求;引腳S2和S3用于選擇不同的顏色濾光器;OE為使能引腳，也可作為片選信號;OUT為頻率輸出引腳;GND為芯片的接地引腳;VCC為芯片提供相應的工作電壓。

自然界中的顏色都是由紅、綠、藍三原色混合組成的。因此，對顏色的檢測實際就是對紅、綠、藍值的檢測，TCS230就是通過控制S2和S3，選通不同顏色濾波器，經過濾波后，分別得到R、G、B的值，最后通過數據處理獲得待測的顏色。

2.2 數據采集卡PCI-1716

PCI-1716是一款高分辨率多功能的PCI數據采集卡［5］，適用于儀器測試、圖形處理、視頻數字化處理及聲音與振動測試等領域。它采用16位的A/D轉換器，1 kB的FIFO緩沖器，采樣速率達250 kS/s;可以提供16路單端模擬量輸入或8路差分模擬量輸入，采集卡的這些輸入可以單一使用，也可以組合輸入;采集卡帶有2個16位的D/A輸出通道、16路數字量輸入/輸出通道和1個10 MHz的16位計數器通道。

同時，PCI-1716還是一款即插即用的采集卡，只要將設計好的電路板直接與采集卡相連，再通過相應的DLL驅動控制，就可以采集到需要的數據。

3 LabVIEW軟件設計

系統采用研華“Advantech DLL Driver”驅動軟件中的LabVIEW驅動程序來實現軟件控制。設計調用了DRV_DeviceOpen()函數開啟整個虛擬設備，再通過對其他功能模塊進行配置和連接，從而完成PCI-1716與LabVIEW的通信，同時控制TCS230的顏色檢測。

本設計充分利用了LabVIEW強大的數據處理功能，將采集到的數據按需要進行相應的處理，加上友好的人機交互界面，則形成了一種實用、方便的顏色檢測系統。

在程序構架中，系統采用平鋪式順序結構將所有程序包含在內，每個順序結構里面主要采用了While循環和條件結構的嵌套。在條件結構中，給出一定的定時條件，當條件滿足要求時，觸發計數器便開始計數并顯示。

程序首先運行的是白平衡的RGB計數，然后是顏色檢測的RGB初始計數，最后經過數學方法處理，得到所檢測顏色的真實RGB值。

轉換公式為［6］:

式中:P為平衡值，平衡值為最終測得顏色的R、G、B值，即R、G、B;Y為原始值，原始值為顏色檢測時測得的初始數據，即R1、G1、B1;C為參考值，參考值為白平衡時測得的原始數據，即CR、CG、CB。

程序中設定了“白平衡”和“顏色檢測”兩個按鍵。

①“白平衡”執行的是讀取白平衡原始數據，以供顏色檢測的使用。具體步驟是:由軟件開啟采集卡后，通過PC-LAB WT-B模塊對采集卡寫入命令，控制S0、S1、S2和 S3，經過 10 ms 的定時后，由 PC-LAB ENVENT READ模塊讀取這段時間內采集卡計數器的數值，并傳送到LabVIEW的前面板顯示。

②“顏色檢測”過程是重復“白平衡”的過程。

最后，這兩部分的數據經過LabVIEW自帶的模塊進行數據處理，并在前面板顯示最終的RGB值，以還原為所檢測的顏色。

顏色檢測系統程序流程如圖3所示。

圖3 顏色檢測系統流程圖Fig.3 Flowchart of the color detection system

4 結束語

整個系統設計采用研華開發的通用“Advantech DLL Driver”驅動軟件及其配備的LabVIEW驅動，結合LabVIEW軟件，實現對PCI-1716和TCS230的控制;同時，采用LabVIEW本身的數據處理模塊對采集的數據進行處理、顯示和保存。相對其他的顏色檢測系統，該系統借助LabVIEW軟件進行仿真，并設計友好的人機交互界面，大大降低了通信的復雜度、減少了設計的工作量、提高了自動化程度，為國內的顏色檢測工業提供一種新的檢測方法。

［1］龐小兵.在線顏色識別傳感技術的研究［D］長沙:長沙理工大學，2008.

［2］杜春玲，張唏，葛蕾.顏色測量儀器及其發展［J］.現代儀器，2005，11(3):56 －57.

［3］曾文琪，高滿茹.基于虛擬儀器的自控仿真實驗系統的設計［J］.微計算機信息，2010(16):153－154.

［4］李愛琴，張緒坤.基于TCS230與LabVIEW的顏色測量系統［J］.電子科技，2008，21(6):26 －27.

［5］王夢玲，王思明.基于PCI-1713和LabVIEW的高速數據采集系統設計［J］.微計算機信息，2006(19):120 －122.

［6］盧川英，于浩成，孫敬輝，等.基于TCS230傳感器的顏色檢測系統［J］.吉林大學學報:信息科學版，2008，26(6):624 －625.

［7］王鑫，郭繼燕，丁鐵夫，等.基于PCI總線的高速數據采集卡的設計［J］.微計算機信息，2003(5):31－32.

［8］劉冠宇，戴義保，朱丹.ARM7高精度雙金屬片形變檢測系統［J］.自動化儀表，2009，30(9):67 －70.