Информационно-измерительная колориметрическая система Морозова Мария Николаевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Аналитический обзор интегральных методов и приборов измерения цвета 10

1.1 Принципы построения интегральных колориметров 10

1.2 Интегральные колориметры со спектральными масками 14

1.3 Интегральные колориметры с селективной модуляцией 15

1.4 Интегральные фильтровые колориметры 16

1.5 Интегральные фильтровые колориметры, работающие в режиме компарирования 18

1.6 Колориметры на основе цветных матриц с ПЗС-структурой 21

1.7 Колориметр, построенный на принципах искусственных нейронных сетей 22

1.8 Измерение относительной спектральной чувствительности каналов измерения X, Y, Z колориметра интегрального типа 26

1.9 Анализ технических характеристик интегральных колориметров, выпускаемых фирмой Konica Minolta ЗО

Выводы по главе 35

ГЛАВА 2 Основы проектирования информационно-измерительной колориметрической системы на принципах искусственных нейронных сетей 37

2.1 Разработка структуры искусственной нейронной сети информационно измерительной колориметрической системы 37

2.2 Источник излучения информационно-измерительной колориметрической системы, его относительное спектральное распределение потока излучения 43

2.3 Чувствительный элемент информационно-измерительной колориметрической системы, его спектральные характеристики 44

2.4 Исходная относительная спектральная чувствительность измерительных каналов X, Y, Z з

2.5 Выбор типов цветных стекол, входящих в наборы корригирующих светофильтров информационно-измерительной колориметрической системы 47

2.6 Расчет параметров корригирующих светофильтров измерительных каналов X, Y, Z информационно-измерительной колориметрической системы 50

2.7 Оценка обучаемости информационно-измерительной

Выводы по главе 59

ГЛАВА 3 Разработка теоретических основ обучения информационно измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации 60

3.1 Разработка целевых функций, используемых при обучении информационно-измерительной колориметрической системы на стадиях

3.2 Моделирование сигналов на выходе чувствительных элементов фотодиодной линейки при обучении информационно-измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации 63

3.3 Моделирование обучения информационно-измерительной колориметрической системы на стадиях производства и эксплуатации 66

3.4 Оценка обучаемости информационно-измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации 68

Выводы по главе 72

ГЛАВА 4 Разработка алгоритмов калибровки, измерения и обучения информационно-измерительной колориметрической системы 73

4.1 Разработка алгоритма опроса выходных чувствительных элементов фотодиодной линейки 73

4.2 Разработка алгоритма калибровки информационно-измерительной

4.3 Разработка алгоритма измерения координат цвета информационно измерительной колориметрической системой 90

4.4 Отладка программного обеспечения информационно-измерительной

4.5 Описание процесса обучения информационно-измерительной колориметрической системы с использованием аппаратно-программного комплекса 100

Выводы по главе 103

ГЛАВА 5 Разработка оптической, структурной, принципиальной электрической схем информационно-измерительной колориметрической системы и алгоритма взаимодействия основных компонентов схемы 105

5.1 Оптическая схема информационно-измерительной колориметрической системы, построенной на принципах искусственных нейронных сетей 105

5.2 Структурная схема информационно-измерительной колориметрической системы и описание взаимодействия основных узлов 107

5.3 Электрическая принципиальная схема информационно-измерительной колориметрической системы 111

5.4 Оценка погрешности измерения координат цвета несамосветящихся объектов информационно-измерительной колориметрической системы 114

Выводы по главе 118

Заключение 119

Список литературы

• Интегральные фильтровые колориметры
• Чувствительный элемент информационно-измерительной колориметрической системы, его спектральные характеристики
• Моделирование сигналов на выходе чувствительных элементов фотодиодной линейки при обучении информационно-измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации
• Разработка алгоритма калибровки информационно-измерительной

Введение к работе

Актуальность темы. Качество продукции более чем 20 отраслей промышленного и сельскохозяйственного производства может быть определено по результатам измерений цвета. Это производство пластмасс, текстиля, искусственных волокон, кож, бумаги, лаков и красок, пищевых продуктов. В полиграфии приборы для измерения цвета необходимы для оценки качества воспроизведения цвета при многоцветной печати. В ювелирной промышленности методы колориметрии широко применяются для объективного контроля цвета драгоценных камней, стоимость которых зависит от массы, гранения и цвета. Измеряя цвет фрагментов глазного дна, можно диагностировать различные заболевания и устанавливать количественные закономерности развития болезни и эффективности ее лечения.

Значительный вклад в теорию и практику измерения цвета внесли научные коллективы, руководимые М. М. Гуревичем, Е. Н. Юстовой, Д. А. Шкловером, Р. С. Иоффе, А. И. Рымовым, В. А. Соловьевым и зарубежными учеными Е. Шредингером, Д. Джаддом, Г. Вышецки, Д. МакАдамом.

Погрешность измерения координат цвета XYZ интегральными (трехцветными) колориметрами определяется в основном точностью воспроизведения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов под функции сложения цветов стандартного наблюдателя. Рассматривая идеологию построения интегральных колориметров с позиций искусственных нейронных сетей, можно существенно уменьшить отклонения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов от функций сложения цветов стандартного наблюдателя.

Данная работа посвящена исследованию и разработке способа управляемого изменения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов информационно-измерительной колориметрической системы (далее по тексту – ИИКС) при ее обучении эталонными мерами цвета.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке способа, алгоритмов, программных средств и схемотехнических решений уменьшения отклонения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов ИИКС от функций сложения цветов стандартного наблюдателя.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие

задачи:

1. разработка способа уменьшения отклонений относительной спектральной чувствительности измерительных каналов ИИКС от функций сложения цветов стандартного наблюдателя при ее проектировании, производстве и эксплуатации;

2. создание ИИКС на принципах построения искусственных нейронных сетей, позволяющих управлять относительной спектральной чувствительностью измерительных каналов при ее обучении;

3. разработка методик калибровки ИИКС, ее обучения на эталонных мерах цвета и измерения в стандартной системе координат цвета XYZ;

4. разработка алгоритмов и программного обеспечения режимов калибровки, измерения, обучения ИИКС;

5. разработка и изготовление макета ИИКС, экспериментальная оценка погрешности измерения координат цвета по эталонным мерам цвета в системе координат XYZ и цветовых различий E в системе координат CIE Lab, рекомендованных Международным комитетом по освещению (МКО).

Объект исследования – информационно-измерительная колориметрическая система.

Предмет исследования – способ, алгоритмы, программные и схемо-техтические средства уменьшения отклонений относительных спектральных чувствительностей измерительных каналов ИИКС от функций сложения цветов стандартного наблюдателя.

Методы исследований базируются на положениях теории колориметрии, теории искусственных нейронных сетей, численных методах, методах математического анализа, математического моделирования в среде электронных таблиц MS Excel.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (Приборостроение)»: пункту 2 – в области разработки способа управляемого изменения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов ИИКС при ее обучении эталонными мерами цвета; пункту 6 – в области создания новой ИИКС на основе искусственных нейронных сетей, а также алгоритмов калибровки, измерения и обучения системы.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. предложена ИИКС, построенная на принципах искусственных нейронных сетей, позволяющая управлять относительной спектральной чувствительностью измерительных каналов при ее обучении на эталонных мерах цвета;

2. предложен защищенный патентом способ измерения координат цвета, заключающийся в суммировании электрических сигналов с выходов многоэлементного фотоприемника с коэффициентами передачи, равными значениям синаптических коэффициентов, рассчитанных при обучении ИИКС на эталонных мерах цвета;

3. разработана математическая модель ИИКС, позволяющая на этапе проектирования уменьшать отклонения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов от функций сложения цветов стандартного наблюдателя, оптимизируя значения конструктивных параметров корригирующих фильтров и синаптических коэффициентов измерительных каналов X, Y, Z;

4. разработана математическая модель ИИКС, позволяющая при эксплуатации уменьшать отклонения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов от функций сложения цветов стандартного наблюдателя, оптимизируя значения синаптических коэффициентов в процессе обучения на эталонных мерах цвета;

5. разработаны методики и алгоритмы функционирования ИИКС в режимах «калибровка», «измерение» и «обучение».

Практическая значимость. Полученные математические модели используются при проектировании ИИКС для определения конструктивных параметров корригирующих фильтров и для вычисления синаптиче-ских коэффициентов при наладке и обучении ИИКС на стадии ее производства и эксплуатации. Сравнительный анализ технических характеристик разработанной ИИКС с интегральными колориметрами японской фирмы Konica Minolta показал, что в силу больших отличий относительных спектральных чувствительностей измерительных каналов от функций сложения цветов стандартного наблюдателя последние работают в режиме компари-рования, при этом результаты измерений сопоставимы по значениям цветовых различий E в равноконтрастной системе координат Lab.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные автором:

1. ИИКС, в которой относительная спектральная чувствительность измерительных каналов, образованных источником излучения, многоэлементным фотоприемником и корригирующими фильтрами, воспроизводится под функции сложения цветов стандартного наблюдателя оптимальным выбором синаптических коэффициентов, полученных при ее обучении эталонными мерами цвета;

2. математические модели измерительных каналов, позволяющие вычислять параметры корригирующих фильтров при проектировании ИИКС и производить обучение системы в процессе производства и эксплуатации на эталонных мерах цвета с целью уменьшения погрешности измерения координат цвета;

3. методики и алгоритмы работы ИИКС в трех режимах: обучения, калибровки и измерения координат цвета;

4. результаты экспериментальных исследований ИИКС, подтверждающие теоретические положения и эффективность предложенных решений.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе структурная и принципиальная электрические схемы, программное обеспечение применялись при проектировании ИИКС и изготовлении макета. Теоретические и практические результаты работы использованы:

1) при выполнении НИР «Исследование и разработка методов измерения цветовых характеристик материалов и изделий» (код ГРНТИ – 59.41.31, отрасль науки – 05.00.00, 2011–2015 гг.) на кафедре «Приборостроение» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»;

2. при выполнении НИОКР по теме «Обучаемый измеритель цветовых характеристик» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК)» (2011–2013 гг.);

3. в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» на кафедре «Приборостроение» при проведении лекций, практических занятий по направлению подготовки 12.03.01 «Приборостроение», а также в ходе дипломного и курсового проектирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2010); «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (г. Пенза, 2010, 2015); «Прикладная оптика» (г. Санкт-Петербург, 2010, 2012, 2015); «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011); «Математическое и компьютерное моделирование естественнонаучных и социальных проблем» (г. Пенза, 2011, 2013); «Надежность и качество» (г. Пенза, 2011, 2012); 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) (г. Омск, 2015).

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается полнотой и корректностью исходных предпосылок, теоретическим обоснованием, непротиворечивостью математических выкладок, а также результатами моделирования и практических исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 печатная работа без соавторов, получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 69 источников, и приложений. Объем работы – 139 листов машинописного текста, включающего 18 таблиц и 44 рисунка.

Интегральные фильтровые колориметры

В работе [28] предложен способ измерения координат цвета с использованием принципов искусственных нейронных сетей. В нейроколориметре сигналы от многоэлементного фотоприемника суммируются тремя искусственными нейронами X, У, 2, причем значения синаптических связей wnx, wny, wm и знаки каждого из нейронов устанавливаются при калибровке по образцам с известными координатами цвета с использованием методов обучения нейронных сетей.

В устройстве, построенном по этому способу, перед фотодиодной матрицей устанавливаются наборы клиновидных цветных светофильтров с различными спектральными коэффициентами поглощения, образующих один или несколько плоскопараллельных пакетов. При этом число пакетов и направление клиновид 23 ностей каждого из пакетов совпадают с направлением строк или столбцов чувствительных элементов фотодиодной матрицы и определяются необходимой точностью воспроизведения относительных спектральных чувствительностей измерительных каналов интегральных колориметров под функции сложения цветов стандартного наблюдателя. Нейроколориметр состоит из оптико-механического и измерительного электронного блоков.

Оптико-механический блок содержит фотометрическую сферу 1, за которой закрепляют источник излучения 2 с расположенным перед ним рассеивателем 3 и фильтром 65-4 (используется при измерении цвета люминесцирующих образцов), зеркальную ловушку 5, расположенную внутри фотометрической сферы 1 и позволяющую измерять цветовые характеристики образца 6 с учетом или исключением зеркальной составляющей. На внешней поверхности сферы 1 вдоль оптической оси под углом 45 закрепляют зеркало 7, направляющее излучение на линзу объектива 8. Далее расположены наборы клиновидных цветных светофильтров с различными спектральными коэффициентами поглощения, образующих один или несколько плоскопараллельных пакетов 9.

Измерительный электронный блок содержит фотоприемную матрицу 10, светофильтры 9, контроллер фотоприемной матрицы 11, преобразующий анало 24 говый сигнал с элементов фотоприемной матрицы 10 в цифровой сигнал, и микроконтроллер 12, соединенный с дисплеем 13.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Источник излучения 2 диффузно освещает измеряемый образец 6. Излучение, отраженное от исследуемого образца или прошедшее через него в виде параллельного пучка, при помощи зеркала 7 направляется на линзу 8, далее через пакет светофильтров 9 излучение попадает на фотоприемные элементы матрицы 10. Контроллер фото диодной матрицы 11 преобразует излучение каждого элемента матрицы в цифровой код и последовательно вводит цифровые сигналы каждого элемента матрицы в микроконтроллер 12. При этом отраженное излучение от исследуемого объекта будет соответствовать выражению ц (Х)р(Х), где ц (Х) - относительное спектральное распределение потока излучения источника, р(Х) - спектральный коэффициент отражения исследуемого объекта.

На светофильтр попадает излучение, отраженное от измеряемого объекта или прошедшее через него в виде параллельного пучка, несущего полную информацию о цвете, пройдя через составной светофильтр с результирующим коэффициентом пропускания Тп. Это излучение через линзу направляется на светочувствительный ПЗС- или КМОП-сенсор. Аналоговые сигналы светочувствительного сенсора преобразуются в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП), имеющим не менее 12 разрядов, чтобы случайная погрешность измерения цветовых характеристик была на уровне цветоразличительной способности человека. Далее включен блок, отвечающий за компрессию данных и подготовку к передаче в нужном формате. Как правило, данные передаются по интерфейсу USB, поэтому на ее выходе ПЗС- или КМОП-сенсор включен USB-интерфейс. Через USB-интерфейс подключается микропроцессор (МП), являющийся составной частью колориметра, и ПК, необходимый только на период обучения нейронной сети. МП связан с индикатором и клавиатурой. Обучение заключается в измерении ряда стандартных образцов с известными координатами цвета и нахождении коэффициентов синаптических связей wnx, wny, Wnz, которые заносятся в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) МП. При изменении относительного спектрального распределения энергии источника излучения и спектральной чувствительно 26 сти фотодиодной матрицы определяются новые значения коэффициентов синап-тических связей. Цифровые сигналы с каждого элемента фотодиодной матрицы суммируются в трех регистрах микропроцессора X, У, Ъ (соответствующим трем нейронами X, У, Ъ), предварительно умноженных на весовые коэффициенты си-наптических связей wix, wiy, мiz. Значения весовых коэффициентов синаптических связей wix, wiy, wiz устанавливаются при калибровке нейроколориметра.

К сожалению, в работе [29] не рассматривается метод расчета корригирующих светофильтров, которые бы обеспечили работу нейроколориметра со всеми стандартными источниками А, В, С, В65 и соответствующих им групповых коэффициентов синаптических связей wix, wiy, wiz.

В ряде случаев, при проектировании колориметра интегрального типа необходимо точное знание относительной спектральной чувствительности каналов измерения X, У, Ъ . Представляет большой интерес метод измерения относительной спектральной чувствительности каналов измерения X, У, Ъ колориметра интегрального типа с использованием интерференционных светофильтров, рассмотренный выше.

Знание относительной спектральной чувствительности каналов измерения X, У, Ъ колориметра интегрального типа необходимо для оценки систематической погрешности измерения координат цвета как в режиме «абсолютных» измерений, так и в режиме компарирования. Повышение точности определения параметров корригирующих светофильтров также может быть проведено только на основе точного знания относительной спектральной чувствительности измерительных каналов колориметра, которая определяется относительным спектральным распределением потока излучения источника (р(Х) относительной спектральной чувствительностью приемника 8( ), а также спектральными коэффициентами пропускания Т(Х) оптических элементов схемы. В работе [30] приведен достаточно подробный обзор методов измерения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов X, У, Ъ колориметра, однако, точность описанных методов не может быть признана удовлетворительной для целей установления и улучшения метрологических характеристик колориметров интегрального типа. Задачу определения относительной спектральной чувствительности можно решить, измеряя отдельно относительное спектральное распределение потока излучения источника, относительную спектральную чувствительность приемников излучения, и с учетом общего спектрального коэффициента пропускания оптических элементов схемы найти относительную спектральную чувствительность каналов измерения колориметра. Каждая составляющая этой задачи, сама по себе, является достаточно трудоемкой, а если учесть, что для метрологически корректных измерений координат цвета колориметром интегрального типа относительную спектральную чувствительность необходимо знать для каждого рабочего средства измерения, то использование традиционного метода поэлементной аттестации слишком сложно и экономически не оправдано. К тому же, если учесть, что погрешность аттестации фотодиодов по относительной спектральной чувствительности составляет 3 %, а источников излучения по относительному спектральному распределению потока излучения 5 %, то становится очевидным, что определить относительную спектральную чувствительность измерительных каналов интегрального колориметра на их основе с необходимой точностью нельзя.

В работе [5] для измерения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов X, У, Ъ колориметра, предлагается использовать набор N интерференционных фильтров с известными спектральными характеристиками. Устанавливая их поочередно в каждый из каналов X, У, Ъ, измеряя при этом значения напряжений на фотоприемниках им, Uyi, UZ1, рассчитывают относительную спектральную чувствительность на эффективных длинах волн ХЭ[. Поскольку нас интересует относительная спектральная чувствительность Sx (ХЭ1), выбирают из всех интерференционных фильтров один к-и сравнительный, относительно которого проводят все расчеты по формуле: U xk їі

Чувствительный элемент информационно-измерительной колориметрической системы, его спектральные характеристики

Создание ИИКС, построенной на принципах искусственных нейронных сетей, предполагает решение двух задач [46].

Первая задача - это проектирование колориметрической системы и оценка ее обучаемости по значениям погрешностей координат цвета, вычисленных на основе математической модели ИИКС и расчетных значений мер цвета. При этом основной целью является повышение точности воспроизведения относительной спектральной чувствительности измерительных каналов X, У, Ъ под функции сложения цветов стандартного наблюдателя с учетом относительного спектрального распределения потока излучения стандартного источника.

Вторая задача - это обучение системы на ограниченном количестве эталонных мер цвета при ее производстве и переобучение в процессе эксплуатации с тем, чтобы погрешность измерения координат цвета была допустимой.

Решение первой задачи, т.е. воспроизведение относительной спектральной чувствительности измерительных каналов X, У, Ъ под функции сложения цветов стандартного наблюдателя, основывается на справочных данных для источника и приемника излучения, а также на спектральных коэффициентах поглощения цветных стекол, используя которые определяются конструктивные параметры корригирующих светофильтров ИИКС с целью минимизации целевых функций:

Эта задача является задачей многопараметрической оптимизации, в процессе которой определяют параметры корригирующих светофильтров и значения си 61 наптических связей. Оптимизация осуществляется с использованием целевой функции и оптимизационного алгоритма [58]. Целевая функция формализует требования, предъявляемые к колориметрической системе, а оптимизационный алгоритм реализует поиск минимума целевой функции. Целевая функция получена на основе однослойной структуры искусственной нейронной сети, отвечающей задаче измерения координат цвета [42]. Необходимо найти оптимальные значения си-наптических связей, а также толщины и типы цветных стекол для корригирующих светофильтров. Решение оптимизационной задачи в теории нейронных сетей называют обучением [46], и от того, насколько качественно будет выполнено обучение, зависит способность сети решать поставленные перед ней проблемы во время эксплуатации. Существуют детерминистские и стохастические алгоритмы, предусматривающие обучение с учителем или без него. В нашем случае роль «учителя» выполняют эталонные меры с расчетными координатами цвета.

Автором показано [58], что обучение при производстве основывается на реальной спектральной чувствительности конкретного приемника излучения, спектральной плотности потока излучения источника и найденных параметрах корригирующих светофильтров, установленных в колориметрической системе.

В процессе эксплуатации спектральная чувствительность приемника излучения и спектральная плотность потока излучения источника могут меняться. По 62 этому необходимо предусмотреть возможность переобучения, когда находятся новые значения синаптических коэффициентов, отличающиеся от вычисленных значений при обучении в период производства. Можно показать, что

При реализации алгоритма обучения в обучаемый прибор устанавливаются последовательно эталонные меры цвета ХЭп, Y3n, Z3n и измеряются при этом значения сигналов Ujп с каждого фотоприемника. Принимая во внимание, что при обучении измеряются N мер цвета с известными координатами цвета, выражение (5) перепишем в виде: m m m ХЗпК2-іСОЩ Ujn 7Эи Р jn Z3n 2la} zPjn (3-6) 7=1 7=1 7=1 Эти соотношения выполняются лишь приближенно, а степень приближения и будет определять способность ИИКС к обучению. Обучение ИИКС заключается в нахождении значений синаптических коэффициентов JL XJ, coyj, щ, которые должны удовлетворять, с заданной точностью, всем мерам цвета ХЭп, УЭп, 2эп В соответствии с методом обратного распространения ошибки и с учетом соотношения (3.6), запишем: Моделирование сигналов на выходе чувствительных элементов фотодиодной линейки при обучении информационно-измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации

Как видно из выражения (3.4), сигнал на выходеу-го чувствительного элемента фотодиодной линейки при выбранных элементах ИИКС (источник излучения, фотодиодная линейка, корригирующие фильтры) определяется спектральными коэффициентами пропускания образцов ТП(ХІ), используемых в процессе обучения [58]. Для моделирования расчетных значений сигналов были выбраны образцы цвета из цветных стекол, участвующих в процессе проектирования и составляющих первую группу образцов. Расчетные значения спектральных коэффициентов пропускания этих образцов определены для толщины стекол равной 5 мм и приведены в Приложении Д [59]. По ним рассчитаны координаты цвета образцов, которые были приняты за эталонные и использованы при обучении ИИКС на стадии его производства и эксплуатации (таблицы 3.1 и 3.2).

Пользуясь соотношением (3.4) и данными, приведенными в таблицах 3.1 и 3.2, рассчитаны значения сигналов с каждого элемента фотодиодной линейки для всех цветных стекол первой группы, которые приведены в таблице 3.3.

Моделирование сигналов на выходе чувствительных элементов фотодиодной линейки при обучении информационно-измерительной колориметрической системы на стадии производства и эксплуатации

Для отладки схемных решений и подпрограмм, написанных на языке C++ [62], построен аппаратно-программный комплекс (АПК) на основе многофункционального отладочного комплекта 8TK600, предназначенного для взаимодействия с различными типами корпусов микроконтроллеров. Для совместимости материнской платы со всеми микроконтроллерами AVR и AVR32 набор разделен на три конструктивных единицы [63]: - базовая плата, которая является общей при использовании любого микроконтроллера; - плата-панель, на которой установлена панель для подключения микроконтроллера в соответствующем корпусе; - плата-адаптер, которая служит связующим звеном предыдущих двух плат и выполняет требуемое электрическое подключение панели с учетом расположения выводов, устанавливаемого в нее микроконтроллера (специфична для каждого микроконтроллера).

АПК включает в себя компьютер (ПК) Acer А855600-8354064 Mnkk/LX.RNZO 1/004, стартовый комплект ASTK600, переходную плату AT8TK600-RC11, устанавливаемую на ASTK600, и мезонинная (дочерняя) плата AT8TK600-ТQFP100, которая устанавливается на переходную плату. На мезо-нинной плате расположена панелька, в которую устанавливается микроконтроллер в корпусе ТQFP100.

Сопряжение платы ASТК600 с мезонинной платой ASTK600-ТQFP100 происходит с помощью системы, состоящей из общих socketcard, и конкретного устройства маршрутизации сигнала ATSTK600-RC11, которое направляет сигналы из розетки на соответствующий вывод. Такая конструкция упрощает настройку оборудования при переключении с одного AVR устройства на другое, т. к. все соединения устройства к материнской плате определяются картой маршрутизации сигнала для каждого устройства.

Структурная схема АПК приведена на рисунке 4.6.

Компьютер (ПК) подключается к AVR 8TK600 через USB-порт (на рисунке 4.6 данное сопряжение обозначено цифрой «1»). Через данное соединение осуществляется подача регулируемого напряжения питания и тактовой частоты. Регулировку данных параметров можно проводить прямо из AVR Studio 5, что дает разработчикам возможность тестирования производительности на различных уровнях напряжения и тактовой частоты всего лишь одним нажатием кнопки. Тактовая частота может задаваться не только с внешнего тактового генератора, подключаемого к плате STK600, но и от внутреннего генератора. Нужные вариант заведения тактовой частоты выбирается с помощью переключателя CLОCK, расположенного на плате ASTK600.

Программирование микроконтроллера может быть осуществлено при помощи двух интерфейсов: ISP, JTAD. Подключение данных интерфейсов к переходной плате ATSTK600-RC11 осуществляется с помощью перемычки (внешнего шлейфа) (на рисунке 4.6 данное сопряжение обозначено цифрой «2»). Данная плата выполняет промежуточную функцию маршрутизации сигнала. Внешний вид АПК приведен на рисунке 4.7.

Применение АПК при проектировании колориметрической системы позволяет отладить схемно-технические решения на основе микроконтроллера AVR [64], провести отладку и тестирование отдельных подпрограмм и программы в целом. После отладки программы, используя АПК можно записать программу в постоянное запоминающее устройство микроконтроллера.

Описание процесса обучения информационно-измерительной колориметрической системы с использованием аппаратно-программного комплекса

Обучение ИИКС при производстве и в процессе эксплуатации осуществляется с использованием АПК. Комплекс необходим для записи в ПЗУ микроконтроллера значений синаптических коэффициентов, рассчитанных в процессе обучения колориметрической системы на образцах с известными координатами (рисунок 4.8). Обучение ИИКС при производстве выполняется с использованием эталонных мер цвета или других образцов, удовлетворяющих условию охвата необходимой области цветового пространства, в которой производится эксплуатация системы.

Предусмотрена возможность дистанционного управления ИИКС с ПК. Для этого была написана программа на языке Delphi, предназначенная для управления обменом информацией между ПК и ИИКС. Пользовательский интерфейс (рисунок 4.8) данной программы содержит несколько полей: - поле выбора типа стандартного источника излучения. Выбор типа источника осуществляется путем установки в поле «Источник» флажка напротив соответствующего типа источника излучения (А, В, С, В65). После нажатия кнопки «Set» на ЖКИ системы курсор автоматически установится напротив источника, выбранного с ПК; - поле ввода команд управления макетом ИИКС. При задании одной из команд с помощью программы на ЖКИ макета появится название выполняемой операции; - поле вывода значений напряжений с элементов фотодиодной линейки при калибровке макета по черному образцу; - поле вывода значений напряжений с элементов фотодиодной линейки при калибровке макета по белому; - поле вывода значений напряжений с элементов фотодиодной линейки при измерении координат цвета исследуемых образцов; - поле вывода значений измеряемых координат цвета. Значения напряжений с элементов фотодиодной линейки при калибровке и измерении координат цвета выводятся на дисплей ПК.

Разработка алгоритма калибровки информационно-измерительной

Отклонения от идеальной сферы Ульбрихта обусловлены наличием различных технологических отверстий в сфере, а также различием спектральных коэффициентов отражения внутренней поверхности сферы на различных длинах волн.

На рисунке 5.1а-в приведена оптическая схема ИИКС для измерений несамосветящихся объектов (элементы оптической схемы представлены в различных проекциях). Как показано в работе [67], ИИКС содержит фотометрическую сферу 1, обеспечивающую геометрию измерения ё/8, в которой установлен светодиод 2. Отраженное от измеряемого образца 3, излучение при помощи объектива 7, направляется на диафрагму 9, расположенную в плоскости изображения образца. Размер диафрагмы несколько меньше размера изображения измерительного отверстия. Излучение, прошедшее диафрагму, попадает на цилиндрическую линзу 10, в фокальной плоскости которой расположены чувствительные элементы фотодиодной линейки 12, образующих измерительные каналы. Перед фотодиодной линейкой установлены корригирующие светофильтры 11. Аналогичным образом организованы и сравнительные каналы, с тем отличием, что объектив 7 сравнительного канала формирует изображение части фотометрической сферы на диафрагме. Чтобы прямое излучение от светодиода 2, не попадало на измеряемый образец, установлена непрозрачная шторка 13. Заглушка 4 расположена под углом 80, симметрично относительно оптической оси объектива измерительного канала. При измерении координат цвета отражающих образцов с учетом зеркальной составляющей на место заглушки 4 устанавливается вкладыш с высоким спектральным коэффициентом отражения, а без учета зеркальной составляющей устанавливается вкладыш со спектральным коэффициентом отражения близким к нулю.

Цилиндрические линзы 10 измерительного и сравнительного трактов разделены тонкой перегородкой, чтобы исключить их взаимное влияние. Корригирующие светофильтры в измерительном и сравнительном трактах идентичны.

Структурная схемс информационно-измерительной колориметрической системы и описание взаимодействия основных узлов

Структурная схема ИИКС с использованием фотодиодной линейки 88377-128Р/151 фирмы Нamamatsu [51], представлена на рисунке 5.2.

Фотодиодная линейка имеет в своем составе 128 пикселей, разделена на две части, образующие измерительный и сравнительный тракты по 64 фотоприемника в каждом. Перед фотодиодной линейкой установлены светофильтры, имеющие индивидуальные спектральные характеристики для групп фотодиодов, причем светофильтры для измерительного и сравнительного трактов идентичны.

Фотодиодная линейка имеет в своем составе коммутатор пикселей, усилитель, схему синхронизации, цифровой сдвиговый регистр. Работой фотодиодной линейки управляет микроконтроллер АTxmegal280-16AU фирмы ATMEL [66], последовательно преобразующий аналоговые сигналы с каждого элемента линейки в цифровые с помощью 14-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Работа схемы осуществляется следующим образом. Микроконтроллер Э4 (вывод 16) устанавливает логический 0 на входе 8Т (вывод 2) и выдает серию импульсов CLK (вывод 1) фото диодной линейки Э2 (рисунок 5.3). Далее микроконтроллер устанавливает логическую 1 на входе ST и реализует задержку в одну микросекунду необходимую для формирования сигналов с фотодиодной линейки Э2. После того как сигналы с фотодиодной линейки Э2 сформированы, микроконтроллер с вывода 19 подает импульс на запуск АЦП Б1 (вывод 26) CONVST. Далее следует ожидание окончания преобразования. Опрос результатов преобразования осуществляется формированием микроконтроллером Э4 отрицательного импульса (с вывода 25) и подачей его на вход BUSY/EOS АЦП Б1 (вывод 23).

Управление работой схемы осуществляется микроконтроллером ATMegal280-16AU (Э5), имеющим объем ОЗУ - 8кб, ПЗУ - 4 кб и память программ -128кб. К портам микроконтроллера подключены 14-разрядный параллельный АЦП AD7899AR-2 (Б1) и жидкокристаллический индикатор DV16210 (HG1). Поскольку в устройстве требуется с большой точностью выдерживать временные интервалы, то работа микроконтроллера 5 тактируется внешним резонатором HC49Ц-14,7456 Гц (Бр1). Программирование микроконтроллера Б1 осуществляется через разъем РЬЭ-6 (Х4), к которому подключается отладочный комплект ASTK600. В АПК входит ЭВМ, которая через разъем USB подключается к ASTK600. Прямое сопряжение ИИКС с ЭВМ осуществляется по интерфейсу RS-485, для чего в качестве преобразователя уровней ТTL - RS485 используется микросхема MAX4В3ECSA. Фотодиодная линейка 88377 (Б2) также управляется с портов микроконтроллера РН3-РН5 (выводы 15-17), а выход Video фото диодной линейки подключается к аналоговому входу АЦП (вывод 4).

Опорное напряжение АЦП стабилизируется микросхемой KF50BD (Э3). Работа ИИКС осуществляется в режиме диалога с оператором. После включения системы автоматически предлагается выполнить выбор типа стандартного источника излучения. Выбор типа стандартного источника излучения А, В, С или Д65 осуществляется следующим образом. После нажатия кнопки 84 (Т8-А1PS-130) на дисплее ЖКИ появляется перечень стандартных источников излучения (как показано на рисунке 5.7), а курсор располагается около источника излучения А. ИИКС при этом будет работать с источником излучения А. Повторное нажатие на кнопку 84 переместит курсор к следующему типу источника излучения.