Cortex-A8處理器與Android平臺的顏色檢測系統設計

陳建明　張亞軍　趙明明　陳方里　崔羊威

(華北水利水電大學電力學院　河南 鄭州 450045)

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Cortex-A8處理器與Android平臺的顏色檢測系統設計

陳建明張亞軍趙明明陳方里崔羊威

(華北水利水電大學電力學院河南 鄭州 450045)

摘要針對便攜式顏色檢測設備的自動化與智能化實際應用的要求，首次在Android平臺下設計一種顏色檢測系統。采用Cortex-A8內核的S5PV210作為主控制器，配合TCS3200顏色傳感器、AM2301溫濕度傳感器，實現了對液體顏色數據的精確測量，且對使用環境無特殊要求。實際測試表明，該系統對不同顏色的測試準確可靠，且系統結構創新，具有易操作、性能穩定的特點，為顏色檢測提供了一種新途徑。

關鍵詞AndroidS5PV210顏色傳感器溫濕度傳感器

0引言

隨著現代工業向高速化、自動化方向的發展，顏色成為評價許多行業產品質量的重要指標，顏色的精確度量和不同顏色之間的辨識在生產中的作用越來越重要。當前，顏色檢測在許多行業都有不同程度的應用。例如：在油脂色澤檢測中，以色澤作為油脂的重要質量指標[1]；在包裝印刷行業，卷材也從單一的黑——白色向彩色發展。顏色問題愈發受到工業制造者的重視，其測量系統也日益受到青睞。

目前顏色測量應用較為廣泛的是比色分析法，但是無論是光電比色法還是分光光度法，在測試完成前都需要進行一系列的操作，容易因為液體性質的變化和環境溫濕度的變化而產生誤差。因此，設計了基于Cortex-A8處理器與Android平臺的顏色檢測系統，該系統可對顏色和溫濕度進行實時測量，且測量精度高、快捷、可靠、穩定，也符合未來顏色檢測系統便攜化、小型化、快速化和智能化的發展趨勢

1顏色檢測系統總體設計

由于在溫度變化時，色度和色差會受到影響，因此在進行精確顏色測量時，外界環境因素是不可忽略的[2]，該顏色檢測系統應具有以下基本功能：

1) 精確的采集液體的顏色；

2) 實時采集當前環境的溫濕度。

硬件環境：本系統采用ARM作為主控制器，并與溫濕度傳感器AM2301和顏色傳感器TCS3200相結合，構建了顏色檢測系統所需的硬件環境。溫濕度傳感器選用含有已校準數字信號輸出的AM2301，其功能為采集溫濕度數據；顏色傳感器選用RGB顏色傳感器TCS3200，其功能為采集液體的顏色值[3]。

軟件環境：系統以ARM公司的CortexTM-A8系列的微處理器S5PV210為核心，在Linux 3.0.8內核中完成了AM2301、TCS3200傳感器的驅動程序設計與開發，并且在Android 4.0.3操作系統下通過Java本地調用JNI(Java Native Interface)調用Android底層的Linux驅動開發了顏色檢測系統的應用軟件[4]。

目前嵌入式產品中運用比較成熟的處理器是S3C2440和S3C6410，但是S3C2440僅僅是能夠運行Android系統，在使用過程中卡頓嚴重，而S3C6410可以正常運行Android 2.3系統，Android 4.0.3系統需要配置相對較高，采用S5PV210可以流暢的運行，極大地增強了用戶體驗，故選用S5PV210處理器。

從功能上來說，整個系統需要完成的工作主要分為以下幾個部分：系統硬件平臺的構建，基于Linux 3.0.8內核的溫濕度傳感器AM2301和顏色傳感器TCS3200驅動程序設計與開發，Android應用層顏色檢測軟件的設計。傳感器與ARM電路連接如圖1所示。

圖1　傳感器與ARM電路連接

2系統硬件設計

2.1嵌入式微處理器

系統硬件設計的處理器采用SAMSUNG公司S5PV210處理器，它采用了ARM CortexTM-A8內核，是ARM公司第一款基于ARMv7架構的應用處理器。該處理器采用32位RISC(精簡指令集)，內部架構采用64/32位總線結構，最大處理速度可達到1 GHz，CPU內部具有16/32 KB可配置的一級數據/指令緩存，512 KB的二級緩存，可實現2000 DMIPS(每秒運算2億條指令集)的高性能運算能力[5]。且有一套完整的通用系統外設，功耗低于300 mW，具有低功耗、高性能等優點，減少了系統的整體成本。

2.2AM2301數字式溫濕度傳感器

溫濕度采集模塊采用數字式溫濕度傳感器AM2301，其相對濕度測量范圍為20%～ 90% RH，相對濕度測量精度：±4%～ ±5% RH；攝氏溫度測量范圍為0～50 ℃，攝氏溫度測量精度：±1～ ±2 ℃。AM2301是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電容式感濕元件和一個NTC(負溫度系數)測溫元件，并與一個高性能的ARM連接，具有響應迅速，可靠性高和穩定性好等優點。

2.3TCS3200顏色傳感器

顏色采集模塊是該系統的核心部分，負責對液體進行顏色檢測。目前常用的顏色傳感器大體分為2類，這兩類傳感器均屬于光電式，分別為：色標傳感器、RGB顏色傳感器。本文采用的TCS3200模塊由一片RGB顏色傳感器及其外圍電路構成，屬于第二類。TCS3200顏色傳感器采用美國TAOS公司研制的可編程彩色光/頻率的轉換器，其芯片結構見圖2所示。它把可配置的硅光二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，芯片上集成了紅、綠、藍(RGB)3種濾光器，其上有一個有數字兼容接口，可以驅動標準的TTL或者CMOS邏輯輸入，因此可以直接與微處理器或者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，所以在轉換過程中不需要A/D轉換電路，使電路變得簡單，并大大提高了該芯片的抗噪聲性能，符合顏色檢測系統小型化和穩定性的要求[6]。

圖2　TCS3200功能框圖

由三原色感應原理可知，如果知道構成各種顏色的三原色的值，就能夠知道被測物的顏色，對于系統采用的傳感器來說，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的顏色通過，阻止其他顏色通過。TCS3200傳感器有紅色、綠色、藍色和無濾波全透光4類(各占1/4)濾光器，可直接根據液體不同顏色的范圍，通過驅動程序改變其引腳S2和S3的電平高低來動態選擇所需要的濾波器，經過電流到頻率的轉換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，且輸出頻率與光強度成線性關系[7]。選擇濾波器模式所需的S2和S3電平如表1所示。還可以通過S0和S1設置OUT引腳輸出信號頻率與其內置振蕩器頻率比率因子，本文所述系統把比率因子設為100%，即S0和S1引腳所接I/O保持高電平不變。通過白平衡校正得到RGB比例因子，再通過OUT引腳輸出信號頻率來換算出被測物體由三原色光強組成的R、G、B值。

表1　S2、S3濾波器模式選擇

3系統軟件設計

系統軟件設計包括3個層面：一是操作系統；二是傳感器驅動程序；三是顏色檢測程序。

操作系統采用Google公司的Android 4.0.3系統，開發平臺是Ubuntu 12.04系統。首先在該平臺上進行系統定制，底層傳感器驅動程序的設計與開發如溫濕度傳感器AM2301、顏色傳感器TCS3200等工作，精簡操作系統，保留顏色檢測系統所必須的基本功能，如Display、Input、Android標準內容等，然后開發應用程序作為顏色檢測系統的主程序，負責與傳感器的通信以及顯示溫濕度和顏色的測試數據。

3.1操作系統的選擇

目前較為流行的嵌入式操作系統主要有：微軟公司的Windows CE、風河公司(WindRive)的VxWorks、Palm公司的Palm OS、Micrium公司提供的uC/OS-II、嵌入式Linux操作系統等。基于嵌入式Linux的Android系統憑借其安全性高、人機交互強和代碼開源等優點，在嵌入式移動設備領域內具有很好的應用前景，正在逐漸成為眾多嵌入式操作系統的另外一種選擇[8]。在Android系統中也提供了對多種傳感器的支持，但要想使得Android系統支持新添加的傳感器設備并且使得開發人員可以通過調用系統API來直接編寫傳感器的應用程序，不僅需要在Linux內核中添加相應的硬件驅動，還必須在硬件抽樣層HAL(Hardware Abstract Layer)中實現相應的接口。而本系統采用的S5PV210是一款適用于智能手機和平板電腦等多媒體設備的應用處理器，由于其強大的性能，該處理器能夠輕松運行Windows CE、Linux、Android等操作系統并進行較為復雜的信息處理。結合800×480分辨率的7英寸的電容式觸摸屏，實現觸摸屏取代傳統鍵盤，具有良好的人機交互功能，并結合了溫濕度傳感器和顏色傳感器對環境溫濕度以及液體的顏色進行即時的采集、存儲，是移動平臺與工業化結合的一次良好嘗試。

3.2溫濕度傳感器AM2301驅動設計

AM2301與ARM之間的通信采用單總線數據格式，一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。數據格式為：16 bit濕度數據+16 bit溫度數據+8 bit校驗和。驅動程序開始之后，等待1 s以越過不穩定狀態，然后S5PV210按照時序發送采集指令并接收數據，一次通信時間5 ms左右。使用ARM實現AM2301溫濕度傳感器采集溫濕度流程的驅動程序設計與開發流程如圖3所示。

圖3　AM2301驅動程序流程

3.3顏色傳感器TCS3200驅動設計

(1) 白平衡調整

白平衡調整是整個顏色檢測系統的重要基準[9]。理論上，在R、G、B三種不同的濾波片下，標準白板測出反射光強的脈沖值是相等的，實際上由于TCS3200對三基色的敏感性并不相同，導致其輸出并不相等，不同濾波片下標準白板采集值R、G、B分別為5312、5035、6214，因此在測試時必須進行白平衡調整。

(2) 數據采集

TCS3200顏色傳感器主要是把外界圖像轉換為脈沖信號，而測量R、G、B的值主要有兩種方法：脈沖采集法和脈寬采集法。脈沖采集法是設置定時器為一個固定的時間(如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，采集這段時間內TCS3200的輸出脈沖數，計算出1個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數變成255，把測得的脈沖數乘以求得的比例因子得到對應的R、G、B值；脈寬采集法是等脈沖采集法的特殊情況，即用定時器記錄一次脈沖寬度，程序以脈沖高電平寬度作為脈寬測量值。本系統采用的是脈沖采集法。需要指出的是，實際測量中應該在傳感器上加遮光罩，以便進行白平衡的調整。

使用ARM實現TCS3200顏色傳感器顏色采集流程的驅動程序設計與開發流程如圖4所示。

圖4　TCS3200驅動程序流程

3.4顏色檢測程序的設計

整個系統實驗平臺如圖5所示，在Eclipse(集成開發環境)中設計并實現了一個環境溫度檢測的程序，安裝到Android系統中，賦予程序訪問TCS3200和AM2301驅動程序提供節點的權限，運行系統并啟動程序，采集20次測試顏色樣本的數據和實時的溫濕度數據，如表2所示。實際測試結果同人眼的顏色感覺有較好的一致性，并且和RGB顏色查詢對照表吻合。

圖5　實驗平臺

次數RGB人眼識別溫度11390240紫色22.36℃225212866橙色22.33℃381225綠色22.34℃415150222藍色22.34℃??????1719138236藍色22.35℃18242129116紅色22.34℃19240151102橙色22.37℃200023黑色22.36℃

4結語

針對現代顏色檢測系統的發展趨勢，設計了基于Cortex-A8處理器與Android平臺的顏色檢測系統。該系統運行穩定，能夠實現對液體的顏色采集和實時的溫濕度數據監測的功能，避免了溫濕度變化和測試時間過長造成液體性質的變化而引起的誤差，且溫度、濕度、顏色值的測量精度高、快捷、可靠。該系統具有操作界面人性化，控制方便，實時性好等優點，同時采用發展前景較好的Android操作系統，具有進一步朝智能化、微型化和產業化方向發展的潛在優勢。

參考文獻

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[2] 韓凌,陸榮鑑.制袋機的檢測與控制技術發展概述[J].包裝工程,2010(11):135-139.

[3] 鄭巧.嵌入式系統的應用與開發分析[J].制造業自動化,2011(5):171-173.

[4] 鄭云卿,黃琦.基于Android平臺的軟件自動化監控工具的設計開發[J].計算機應用與軟件,2013(2):235-238.

[5] 吳宇,楊江,張龍.基于Cortex-A8的移動在線水質監測平臺的研究[J].電子技術應用,2012(10):34-36,40.

[6] 王璞,劉教瑜,陳前平.基于WinCE的色彩分析儀的研究與設計[J].電子測量技術,2011(5):49-52.

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[9] 潘海鴻,陳琳,黃炳瓊,等.基于TCS230傳感器的高精度顏色識別系統設計[J].微計算機信息,2009(16):159-161.

[10] 李敏,董志學.基于Android的嵌入式機器聲音故障檢測系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件,2013(7):301-304.

收稿日期：2014-10-29。陳建明，教授，主研領域：傳感器與檢測技術。張亞軍，碩士生。趙明明，碩士。陳方里，碩士生。崔羊威，碩士生。

中圖分類號TP277

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.07.029

DESIGNING COLOUR DETECTION SYSTEM BASED ON CORTEX-A8 PROCESSOR AND ANDROID PLATFORM

Chen JianmingZhang YajunZhao MingmingChen FangliCui Yangwei

(SchoolofElectricPower,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,Henan,China)

AbstractFor the first time we designed on Android platform a colour detection system to meet the practical application requirement in automation and intelligence of portable colour detection devices. The system uses S5PV210 based on Cortex-A8 core as the master controller, acting with colour sensor TCS3200 and temperature and humidity sensor AM2301, it achieves the accurate detection of liquid colour data without special demands on operating environment. Practical tests showed that the system is accurate and reliable in testing different colours. With an innovative structure, this system is easy to operate and has stable performance, which provides a new approach for colour detection.

KeywordsAndroidS5PV210Colour sensorTemperature and humidity sensor