ARM7-VxWorKs的网络化实时彩色分析虚拟仪器

特种光源、彩色显示等行业的基础是彩色的还原与传递，在光学计量领域属于光源的光度和色度计量范畴，色坐标和亮度因数是主要的参数之一。光度、色度测试系统的性能，在高清晰度数字电视的白场基准测试、高清晰度数字摄像机白平衡校准以及半导体光电二极管LED照明和全彩色显示的白场均匀性测试等领域发挥着基础性关键作用。
人眼的视觉可以感受380nm～780nto范围内的光信号，但对不同波长光的敏感程度不同。l924年国际照明委员会CIE公布了2。视场明视觉光谱光视效率函数V(γ)[1]。仿真人眼亮度感受的光度探测器通常是由光电二极管PIN构成的，核心是利用滤色玻璃将PIN的光谱光视效率修正得与(V)尽可能地相似。人眼对色彩的感受来源于人眼视网膜上的3种锥体细胞，分别对应红红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色。但RGB色度系统的色度函群在某些波段为负值，难于理解和计算，因此目前最常CIEl931 xyY坐标系统。其中Y代表亮度，xy分代表红色和绿色的色度，蓝色的色度是红色和绿色的色度补值，其光谱函数称为ClEl93l 2。视场标准观察者色度函数，分别用X(λ)、和z(λ)表示，其中y(λ)=V(λ)，如图1所示。

在彩色电视白场测试领域，通常采用由与图1 色度变换(I／V)构成集成化探头，而将A／D变换与色度计算等工作交给PC机处理，例如美国Klein公司的K5／10系列。利用PC软件技术，K5／10系列增加了频谱分析功能，可以分析O～100Hz内的电视及计算机显示器的“闪烁”，是CAl00／200系列所不能完成的。
在本文的工作中，笔者设计制作了CSE808新型的彩色分析虚拟仪器，特点在于将虚拟仪器的概念扩展到通信系统层的资源共享。采用ARM7TDMI内核的三星4510B硬件通信系统以及Vxworks嵌入式软件实时操作系统，实现了3路16位并行20kHz采样率的光度色度数据采集，并采用100M以太网和TCP／IP协议传输数据，领先于美国Klein公司的K5／10系列彩色分析仪。预计该系统在“刷新频率”、“响应时间”等与显示器相关的瞬态光度色度计量测试领域具有重要意义，在航空闪光警示灯质量检定领域也具有重要应用价值。

1 CsE808彩色分析虚拟仪器的设计
1.1总体设计方案
由于电视及显示器的帧频或刷新率一般在l00Hz以内，因此系统的总体设计目标是可以进行3路并行10kHz取样率、12位精度以上的实时彩色分析，如此的数据量采用传统的RS232串口(通常几十Kb／s)以及IEEE488(GPIB，通常几Mb／s)接口都不能保证实时性，必须采用更高带宽的探测器与虚拟仪器主机系统互连方案。一种当前普遍采用的方案是基于ISA／PcI接口的插卡式A／D，但模拟信号需要从现场到主机进行传输，距离受到很大限制。电视或显示器工厂需要生产线在线彩色分析系统，要求具有可扩展、可管理、远程、多探测系统并行工作等能力，因此采用了TCP／IP协议以及100M以太网的传输方案，以满足以上需求，但缺点是比较复杂。虚拟仪器概念的核心应该不仅仅局限于软件，而是扩展到更广义的资源共享。美国的NI公司提出“软件就是仪器"，在本文中，提出“资源共享就是虚拟仪器”，并把这种思想应用到彩色分析虚拟仪器的系统互连设计上。具体而言，将比较复杂的TCP／IP协议以及100M以太网传输部分用通用的通信系统板来实现，具体采用的是目前比较成熟的ARM7TDMI内核的韩国三星4510B通信系统板，未来的工业级应用可以考虑移植到Atmel公司的系统上。这种深入到数据传输层面虚拟仪器方案的实现难点在于，数据采集系统与通用通信系统板的互连，笔者采用FPGA来完成接口转换。采集到的数据封装成TCP／IP包的过程由嵌入在通信系统板上的VxWorks实时操作系统实现。系统整体结构如图2所示。

色度探测器是加色度滤色片的光电二极管PIN，输出信号为光电流，强度与PIN接收面上光的照度成正比。信号调理部分由两部分构成，首先是光电流经l／V变换为电压信号，然后再经过2级电压放大，由换档开关决定放大倍数。信号调理部分在保证30kHz带宽的情况下尽量减小噪声是设计的关键。由于是并行彩色分析，因此数据采集系统采用了3路16位A／D，为了尽量简化引脚引线，因此采用了串行输出的A／D。