特種光源、彩色顯示等行業(yè)的基礎(chǔ)是彩色的還原與傳遞,在光學(xué)計(jì)量領(lǐng)域?qū)儆诠庠吹墓舛群蜕扔?jì)量范疇,色坐標(biāo)和亮度因數(shù)是主要的參數(shù)之一。光度、色度測(cè)試系統(tǒng)的性能,在高清晰度數(shù)字電視的白場(chǎng)基準(zhǔn)測(cè)試、高清晰度數(shù)字?jǐn)z像機(jī)白平衡校準(zhǔn)以及半導(dǎo)體光電二極管LED照明和全彩色顯示的白場(chǎng)均勻性測(cè)試等領(lǐng)域發(fā)揮著基礎(chǔ)性關(guān)鍵作用。
人眼的視覺(jué)可以感受380nm～780nto范圍內(nèi)的光信號(hào),但對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度不同。l924年國(guó)際照明委員會(huì)CIE公布了2。視場(chǎng)明視覺(jué)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(cè)器通常是由光電二極管PIN構(gòu)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(duì)色彩的感受來(lái)源于人眼視網(wǎng)膜上的3種錐體細(xì)胞,分別對(duì)應(yīng)紅紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色。但RGB色度系統(tǒng)的色度函群在某些波段為負(fù)值,難于理解和計(jì)算,因此目前最常CIEl931 xyY坐標(biāo)系統(tǒng)。其中Y代表亮度,xy分代表紅色和綠色的色度,藍(lán)色的色度是紅色和綠色的色度補(bǔ)值,其光譜函數(shù)稱為ClEl93l 2。視場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域,通常采用由與圖1 色度變換(I／V)構(gòu)成集成化探頭,而將A／D變換與色度計(jì)算等工作交給PC機(jī)處理,例如美國(guó)Klein公司的K5／10系列。利用PC軟件技術(shù),K5／10系列增加了頻譜分析功能,可以分析O～100Hz內(nèi)的電視及計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)制作了CSE808新型的彩色分析虛擬儀器,特點(diǎn)在于將虛擬儀器的概念擴(kuò)展到通信系統(tǒng)層的資源共享。采用ARM7TDMI內(nèi)核的三星4510B硬件通信系統(tǒng)以及Vxworks嵌入式軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),實(shí)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(wǎng)和TCP／IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),領(lǐng)先于美國(guó)Klein公司的K5／10系列彩色分析儀。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)在“刷新頻率”、“響應(yīng)時(shí)間”等與顯示器相關(guān)的瞬態(tài)光度色度計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域具有重要意義,在航空閃光警示燈質(zhì)量檢定領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價(jià)值。
1 CsE808彩色分析虛擬儀器的設(shè)計(jì)
1.1總體設(shè)計(jì)方案
由于電視及顯示器的幀頻或刷新率一般在l00Hz以內(nèi),因此系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以進(jìn)行3路并行10kHz取樣率、12位精度以上的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性,必須采用更高帶寬的探測(cè)器與虛擬儀器主機(jī)系統(tǒng)互連方案。一種當(dāng)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(hào)需要從現(xiàn)場(chǎng)到主機(jī)進(jìn)行傳輸,距離受到很大限制。電視或顯示器工廠需要生產(chǎn)線在線彩色分析系統(tǒng),要求具有可擴(kuò)展、可管理、遠(yuǎn)程、多探測(cè)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(wǎng)的傳輸方案,以滿足以上需求,但缺點(diǎn)是比較復(fù)雜。虛擬儀器概念的核心應(yīng)該不僅僅局限于軟件,而是擴(kuò)展到更廣義的資源共享。美國(guó)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(yīng)用到彩色分析虛擬儀器的系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)上。具體而言,將比較復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議以及100M以太網(wǎng)傳輸部分用通用的通信系統(tǒng)板來(lái)實(shí)現(xiàn),具體采用的是目前比較成熟的ARM7TDMI內(nèi)核的韓國(guó)三星4510B通信系統(tǒng)板,未來(lái)的工業(yè)級(jí)應(yīng)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(shí)現(xiàn)難點(diǎn)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(lái)完成接口轉(zhuǎn)換。采集到的數(shù)據(jù)封裝成TCP／IP包的過(guò)程由嵌入在通信系統(tǒng)板上的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
色度探測(cè)器是加色度濾色片的光電二極管PIN,輸出信號(hào)為光電流,強(qiáng)度與PIN接收面上光的照度成正比。信號(hào)調(diào)理部分由兩部分構(gòu)成,首先是光電流經(jīng)l／V變換為電壓信號(hào),然后再經(jīng)過(guò)2級(jí)電壓放大,由換檔開(kāi)關(guān)決定放大倍數(shù)。信號(hào)調(diào)理部分在保證30kHz帶寬的情況下盡量減小噪聲是設(shè)計(jì)的關(guān)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(jiǎn)化引腳引線,因此采用了串行輸出的A／D。
1.2 FPGA模塊
FPGA模塊的作用是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到4510B通信系統(tǒng)板中,具體采用的是Altera的ACEX系列的芯片EPlKl00。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由3塊串行輸出的ADS7809構(gòu)成,需要將數(shù)據(jù)線以及使能、中斷、時(shí)鐘等信號(hào)與FPGA相連。FPGA“串并轉(zhuǎn)換”A／D數(shù)據(jù)后,存儲(chǔ)在內(nèi)部的雙口SRAM中,供4510B讀取。FPGA與4510B的通信是系統(tǒng)難點(diǎn),以下詳細(xì)介紹。
ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看作是從零地址開(kāi)始字節(jié)的線性組臺(tái)。從O字節(jié)到3字節(jié)放置第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù),從第4個(gè)字節(jié)到第7個(gè)字節(jié)放置第2個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù),依次排列。4510B可以根據(jù)設(shè)置的數(shù)據(jù)總線寬度自動(dòng)把內(nèi)部地址總線移位輸出到外部地址總線,因此FPGA與4510B互連時(shí),不需要根據(jù)存儲(chǔ)器寬度來(lái)移位地址總線,即ADDR[0]總是接存儲(chǔ)器地址的最低位即可。4510B這一特點(diǎn)以及與FPGA的連接方法如圖3所示。
1.3基于VxWorks的TCP／IP數(shù)據(jù)封裝
45l0B的通信系統(tǒng)板可以實(shí)時(shí)完成把采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP／IP協(xié)議封裝的功能,需要采用嵌入式操作系統(tǒng)。我們采用了VxWorks操作系統(tǒng),屬于強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供支持ARM7TDMI內(nèi)核的板級(jí)支持包以及TCP／IP工具包。下面是在4510B上配置VxWorks的方法。
首先要調(diào)試VxWorks在4510B上的BSP,其中eonfigh是一個(gè)重要的配置文件。該文件中最需要關(guān)注的一部分配置就是對(duì)存儲(chǔ)空間的配置。
#defineROM BASE ADRS 0x01000000 /*Flash起始點(diǎn)?*／
#defineROM TEXT ADRS 0x01000000 ／*ROM的開(kāi)始地址*/
#define ROM SIZE 0x00100000 ／*VxWorks占用的
#define RAM LOW ADRS 0x00001000 */VxWorks~鏡像進(jìn)入點(diǎn)*/
#define RAM HIGH ADRS 0x00100000 /*為ROM啟動(dòng)的
RAM地址*/
相應(yīng)的,在MAKEFILE文件中對(duì)內(nèi)存的設(shè)置要與上面相同。
ROM_TEXT ADRS=01000000#ROM entry address
ROM WARM_ADRS=01000004#ROMwarmentry address
ROM SIZE=00100000#numberofbytes ofROM space
RAM_LOW ADRS=00001000#RAM text／data address(bootrom]
RAM_HIGH_ADRS=00100000#RAMtext／data address(bootrom)
在VxWorks系統(tǒng)中數(shù)據(jù)封裝的方法如下。
為了及時(shí)響應(yīng)外部的數(shù)據(jù)讀取請(qǐng)求,4510B的軟件中采用中斷處理方式讀取FPGA中的A／D數(shù)據(jù)緩存。為了保障連續(xù)的采集和傳輸,對(duì)于這部分?jǐn)?shù)據(jù)緩存采用“乒乓法”。待當(dāng)前緩存區(qū)存滿時(shí),從中斷處理程序中釋放一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)量給上傳任務(wù),由上傳任務(wù)負(fù)責(zé)TCP數(shù)據(jù)封裝,并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的指針切換到另一塊緩存區(qū)。VxWoks使用與BSD4.4 Socket兼容的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。目此,基于BSD4.4 UNIX Socket的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可以很方便的移植到VxWorks中來(lái)。對(duì)于VxWorks下的TCP／IP編程方法[3]這里不再詳述。
2 PG端軟件系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于采用了TCP／IP協(xié)議以及100M以太網(wǎng)的傳輸方案,符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),因此PC端軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常方便,本課題采用了美國(guó)NI公司的Labwindows／CVI來(lái)開(kāi)發(fā),它是基于標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具,提供了包括按鈕、換檔開(kāi)關(guān)、示波器等在內(nèi)的大量人機(jī)界面函數(shù)一以及包括快速傅立葉變換、均方差計(jì)算、數(shù)字濾波等在內(nèi)的信號(hào)處理函數(shù),大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。在CSE808系統(tǒng)中,4510B通信系統(tǒng)板的IP地址為192.168.0198,作為T(mén)CP的Server端;主控PC的IP地址為192.168．0.188,作為T(mén)CP的Client端。圖4顯示的是測(cè)試得到的I一種CRT顯示器的亮度和兩個(gè)色度信號(hào)的瞬態(tài)波形。顯示器設(shè)置的刷新頻率是85Hz,CSE808系統(tǒng)的采集速率是通道16位并行20kHz。測(cè)試結(jié)果是三個(gè)通道的刷新頻群分別是84.9Hz、85.lHz、85.0Hz,證明系統(tǒng)工作正常。
3 結(jié)論
本論文設(shè)計(jì)制作了一種并行網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)彩色分析虛擬儀器。為了實(shí)現(xiàn)高速測(cè)試系統(tǒng)互聯(lián),本文采用了100M以太網(wǎng)和TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。設(shè)計(jì)思想的新穎之處是在網(wǎng)絡(luò)通信層達(dá)到了資源共享,用通用的ARM7TDI內(nèi)核的三星4510B通信系統(tǒng)板完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)封裝等網(wǎng)絡(luò)通信工作,并且用VXWorks嵌入式操作系統(tǒng)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。