摘 要： 以三刺激色以及色度學檢測原理為基礎,，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)轉換，經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,、準確地測量出棉纖維的白度,。
關鍵詞： 棉纖維； 單片機,； 三刺激值
?
棉花是經濟價值很高的農產品,，是國民經濟的重要支柱，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，它在農業(yè)生產中占有重要地位。構成棉花經濟價值的特性有類別,、品級,、長度、水分,、雜質,、衣分、成熟度,、細度,、強度等指標。這些指標都要通過棉纖維檢測技術" title="檢測技術">檢測技術工作進行測試和評定,。目前,，我國更新紡織棉花品級實物標準仍以手工目測、憑直觀和經驗制作,。若將已更新仿制號的標準通過測色儀進行測試,，逐步走向手工目測與儀器測色相結合的道路，這是我國更新仿制棉花品級實物標準的改革方向,。
上世紀50年代初,，美國GARDNER公司生產了尼克遜-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業(yè)部作為基準儀器之一，并用來測定棉花品級實物標準的色征,。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),，并打印出測試結果,，在自動化程度方面有了很大提高,。在此技術的基礎上，本文結合圖像處理技術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)選取的標準波長分別為：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。該式中的權值會有負值(實際上不存在負的光強),而且計算極不方便,，也不易理解,。因此，1931年的CIE-XYZ系統(tǒng)利用三種假想的標準原色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,。截面與三個坐標平面的交線構成一個等邊三角形，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,，中央的一點表示標準白光,。
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)的構成
系統(tǒng)結構圖如圖1所示,主要硬件設備包括：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,。
?
?
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)主程序在內存中開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，并通過標準USB命令字向外設" title="外設">外設發(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,，這時主機進入等待狀態(tài),。
(3) 外設對數(shù)據(jù)包進行NRZI解碼和bit Unstuffing操作及CRC校驗，確認后接收主機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校驗產生器對每一個數(shù)據(jù)包生成CRC校驗碼字段,，SOP & EOP信號產生器為該數(shù)據(jù)包加入同步字段頭和數(shù)據(jù)包結束符,。
(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)流驅動到USB線纜上。
(9) 主機控制器將USB數(shù)據(jù)轉化成為普通的“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,，主機還會向外設發(fā)送ACK的握手數(shù)據(jù)包作為回應,。
2.2 控制計算模塊
控制計算是整個設計的核心部分,，而單片機又是控制計算部分的核心,，內部存儲了本設計的計算方法，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)以及各種計算結果,，還要有一個外部存儲器進行暫時的存放，以便于隨時調用,。
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)等結果,。
本設計基于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,，所以本設計根據(jù)串行連接的時序圖進行連接和調試。設計采用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合下一個位元組,，組成兩個位元組的編碼構成中文字型的編碼（A140-D75F）,。
3 系統(tǒng)設計
3.1硬件設計
主控制板選擇了臺灣華邦公司生產的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,，在它內部集成有32KB的可重復編程的Flash ROM,、256B的片內存儲器、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計的微處理器內核，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通信標準，克服了RS-232C的以上缺點,，且可與其完全兼容,，所以本系統(tǒng)設計時采用了RS-485通信標準。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 軟件設計
系統(tǒng)開始工作后先要對內存、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。
?
棉纖維檢測技術在國內外發(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要求越來越高；另一方面,，隨著新一輪技術革命的繼續(xù)深入,，信息化、數(shù)字化已是當今科技的主流,。紡織行業(yè)的復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,，省去了中間的模數(shù)轉換部分,，此項技術必將淘汰先前的光電檢測技術。系統(tǒng)已在江蘇某公司成功應用,效果顯著,。
參考文獻
[1] 吳敏,，劉景凱. 光電檢測異纖清除機的原理和工藝性能[J].上海紡織科技，2007,，35(1)：17-19.
[2] 楊林楠,，李紅剛，張麗蓮,，等.基于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].計算機工程,，2007，33(7)：246-248.
[3] 吳從通. 關于棉纖維氣流儀測試方法的研究[J]. 紡織學報,，1999,，20(1)：30-31.
[4] 張長君. 單片機控制的雙門防尾隨門禁系統(tǒng)[J].計算機工程與應用，2007,，43(5)：79-81.
[5] 于偉東,，儲才元.紡織物理[M].上海：東華大學出版社，2002.
[6] 李汝勤,，宋均才.纖維和紡織品測試技術[M].上海：東華大學出版社,， 2005.