模塊化設計的顏色參數校準實驗系統

萬志翀， 陳 嵐， 萬國春， 謝麗宇

（1.上海應用技術大學電氣與電子工程學院，上海 201418；2.同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804；3.同濟大學土木工程學院，上海 200092）

0 引言

車載娛樂系統不再單一的為人們提供多媒體功能的服務，而是更多地考慮結合其他駕駛信息并與乘客進行交互。汽車車載氛圍燈在傳統車內主要起到輔助照明的功能，隨著智能座艙概念的提出，車載氛圍燈承擔的功能也逐漸變多。因此，如何保證每一個LED燈珠具有高度的顏色一致性是非常關鍵的問題［1］。

由于制作工藝的差異，同款燈頭使用同樣的參數點亮時，會產生肉眼可以區分的色差［2］。為此，紅綠藍發光二極管（Red-Green-Blue Light Emitting Diode，RGB-LED）顏色標定系統被提出，一個完整的顏色標定系統包括LED 參數采集和校準算法兩部分［3］。測量LED參數前首先需要精準的顏色控制［4-6］，最經典的是脈寬調制（Pulse-Width Modulation，PWM）控制方法［7］，而后是神經網絡方法［8-9］。同時，許多學者提出了一系列的校準算法［10］，傳統校準算法需要高成本的光電傳感電路［11-12］，隨著機器學習算法的引入［13-14］，大量的RGB-LED顏色數據需要被用來訓練。

基于上述背景，本文實驗旨在提供一種結合嵌入式開發、串口通信技術與LIN 總線通信原理的RGBLED顏色校準與數據采集系統。通過該實驗提出的方案，研究人員可以更加便捷的獲取到算法研究需要的數據，并實現對數據來源的可追溯。

1 實驗系統結構

本實驗的系統主要包括：自動化機械模塊、顏色校準模塊和數據源可追溯模塊三大部分。自動化機械模塊主要負責將探頭與待校準LED 燈板移動到對應位置，實現整體校準流程的自動化；顏色校準模塊通過LIN總線通信點亮LED，再通過顏色分析儀獲取到顏色數據，經過算法計算后，基于PWM 調光方法實現對LED的顏色校準；數據源可追溯模塊集成了激光打標機，對每個燈珠生成唯一的序列號，再通過序列號生成二維碼，最后使用激光打標機將二維碼刻到燈板外殼上。這3 個模塊協同工作，實現了數據的自動采集和數據源可追溯。

1.1 伺服電動機模塊

伺服電動機模塊的架構如圖1 所示，該模塊主要負責移動搭載了RGB-LED 的PCB 標定板，捕捉顏色分析儀數據和移動LIN收發器終端連接到氛圍燈的接口，通過伺服電動機驅動機械軸移動搭載對象，幫助整個標定過程實現自動化。LIN 總線是一個低成本總線，主要用于車窗、空調、氛圍燈等汽車零部件，速率為20 Kb/s，工作電壓在0 ～12 V 之間，抗干擾能力較強［15］。

圖1 伺服電動機模塊架構

伺服電動機在全球的工業自動化領域中被廣泛應用，通常一套伺服電動機控制系統包括驅動器，伺服電動機，導軌，PLC或PC。模塊的機械部分使用了5 軸伺服電動機驅動器系統，主要包括5 臺TSDA-C21B伺服電動機驅動器和對應的5 臺伺服電動機（3 臺SDGA-04C11AB，2 臺SDGA-01C32BB）。兩類電動機的區別在于后者具有剎車使能信號，可以在電動機垂直工作時防止電動機失能下墜造成嚴重的安全隱患。電動機控制利用STM32 與USB 轉485 轉換器實現。上位機通過USB-485 轉換器輸出兩線信號，串接5 個TSDA-C21B伺服電動機，再由驅動器對伺服電動機進行控制。每個機械軸都有3 路光電開關，用于提供電動機的限位和零點信號。電動機驅動器也同樣引出5個電動機的到位信號，用于判定每臺電動機是否走到指定位置，并通過24 V電壓驅動5 路繼電器模塊進行信號隔離后輸入到STM32。除此之外，STM32 還外接了一個急停按鈕，用于機器異常運行的緊急停止。

1.2 顏色校準模塊

顏色校準模塊包括LIN收發器、顏色分析儀、光電探頭、待校準RGB-LED燈板。LIN收發器負責將上位機的點亮命令通過LIN通信傳輸標定數據并控制點亮RGB-LED燈珠。光電探頭采集RGB-LED發出的顏色光數據。顏色分析儀負責分析探頭采集的顏色光，轉換成CIE Yxy色品坐標，最后通過串口將數據傳輸給上位機。RGB-LED通過PWM 的方式點亮目標色，紅綠藍3 種顏色燈珠的光通量與PWM 的占空比例呈線性關系［3］：

式中：Y′r，Y′g，Y′b分別為PWM 調光下紅綠藍3 個燈珠的光通量；Dr，Dg，Db分別為紅綠藍3 個燈珠的占空比；Yr，Yg，Yb分別為紅綠藍3 個燈珠在占空比為1 時的光通量。根據CIE標準色度系統中的三色線性關系和色度坐標與三色值的關系，可以得出RGB-LED 的混光色度坐標：

式中：Xm，Ym，Zm分別為混光顏色的三刺激值；xm為混光顏色在CIE1931 色度空間坐標系下x軸的坐標值；xr，xg，xb分別為紅綠藍3 個燈珠在占空比為1 時點亮的顏色在CIE1931 色度空間坐標系下x軸的坐標值；ym為混光顏色在y軸的坐標值；yr，yg，yb分別為紅綠藍3 個燈珠在占空比為1 時點亮的顏色在y軸的坐標值。分別為紅綠藍3 個LED在占空比為1 時的三刺激值之和。

1.3 數據源可追溯模塊

實驗中，需追溯數據的來源，從而尋找因果關系或判斷異常狀態。數據源可追溯模塊的架構如圖2 所示，模塊包含用戶上位機軟件、激光打標機和燈珠LIN通信3 個主要部分。RGB-LED 燈珠是我們的待測組件，上位機發送NAD 地址獲取幀和序列號獲取幀，通過USB-LIN收發器將幀信號發送到RGB-LED并得到反饋數據。上位機通過這些反饋數據，給激光打標控制板發送序列號字符串和開始打標信號。控制板控制激光探頭，在燈珠的外殼打印包含序列號信息的二維碼。如果對某個數據存在追溯需求，只需要掃描二維碼，即可獲得序列號，從而找到對應的燈珠。

圖2 數據源可追溯系統架構圖

2 實驗軟件設計

軟件設計包括自動化機械模塊，顏色校準模塊和數據源可追溯模塊3 個部分。3 個模塊獨立運行但相互之間協同配合，實現RGB-LED 的自動化校準和數據可追溯功能。

（1）自動化機械模塊。電動機移動的邏輯控制，軟件流程如圖3 所示，開始標定流程時，先移動Y軸電動機，當Y軸電動機到位后，移動X軸電動機，等到Y軸和X軸電動機全部到位后，移動Z軸電動機將探針放置在RGB-LED 燈板上方，當標定結束以后進行復位。復位過程中，會先將Z軸電動機上的探頭抬起，當Z軸電動機上升到位后，同時移動X軸和Y軸電動機，防止損壞探針和探頭，當X軸和Y軸電動機到位后代表完成了一次完整的標定流程。

圖3 自動化機械模塊軟件流程

（2）顏色校準模塊。主要是形成一個閉環的反饋修正，經過多次循環校準后，保證燈珠的顏色在標準色域內。調光方法使用目前車載氛圍燈常用的PWM 調光法［5］，使用的校準算法可以靈活變換，該模塊的軟件流程如圖4 所示。

圖4 顏色校準模塊軟件流程

（3）數據源可追溯模塊。主要是通過校準時間生成唯一序列號后，讀取寫入在RGB-LED 燈珠內的序列號，將該序列號生成對應的二維碼，通過激光打印在燈珠外殼上，實現數據的可追溯，該模塊的軟件流程如圖5 所示。

圖5 數據源可追溯模塊軟件流程

3 實驗結果與分析

在整體實驗過程中，顏色校準的精度和校準過程的速度是2 個重要的性能指標。

3.1 顏色校準

（1）顏色校準過程。首先需要測量RGB-LED 的三基色值，并依據三基色值進行后續目標色校準算法的計算。受到電流的影響，RGB-LED每個基色的亮度會不相同，以此燈為例，基色紅的亮度為1190.61 lx，基色綠的亮度為3683.66 lx，基色藍的亮度為362.70 lx。可以得出綠光亮度最高，藍光亮度最低。因此在混光過程中，偏綠的顏色亮度會更高，偏藍的顏色亮度會更低。

（2）目標色計算過程。需要針對不同的基色配比動態調整顏色的亮度。30 種目標色的亮度計算結果如圖6 所示，20 ～30 號色偏藍，所以亮度更低，3 ～6 號偏紅色號的亮度相對偏綠色號的亮度也有所降低，符合理論預期。

圖6 RGB-LED亮度自適應調節

顏色校準完成后，RGB-LED的顏色值與目標值如圖7 所示。紅色為目標色坐標點，綠色為校準后的顏色坐標點，30 種顏色的偏差均小于0.01，證明本實驗具有良好的精度。校準后的顏色在CIE1931 色彩空間色度圖的位置如圖8 所示，全部目標色均在正確的位置。

圖7 目標色坐標與校準后色坐標對比

圖8 RGB-LED校準后的顏色值

3.2 校準速度

本實驗將80 個RGB-LED焊接在PCB 燈板上，按照8 ×10 的矩陣排列。80 個RGB-LED的校準時間如圖9 所示。由圖可知，大部分RGB-LED 的校準30 種顏色的時間在60 s左右，平均2 s校準一種顏色。個別RGB-LED在一遍校準后，還有部分顏色無法滿足目標色域，本實驗最多會重復校準3 次，由圖12 可見，80 個燈中只有28 號燈校準3 次才合格，34、68 和75號3 個燈校準了2 次。除此之外，燈板左下角的61、62、71 和72 號4 個燈設置焊接異常情況，無法點亮，因此校準時間為0，證明本實驗可以檢測出此類異常情況。

圖9 RGB-LED校準時間

在校準完成后，顏色校準模塊會記錄RGB-LED燈珠的顏色數據，并自動記錄為數據表格。這些數據表格為后續研究基于機器學習的校準標定算法提供了訓練數據。在數據采集完畢后，通過激光打印二維碼在RGB-LED的外殼上，掃描二維碼可以得到對應的序列號。序列號的生成規則為“年（4 byte）-月（2 byte）-日（2 byte）-時（2 byte）-分（2 byte）-秒（2 byte）-通道號（2 byte）-燈ID號（2 byte）”，共計18 byte，實現數據源的可追溯功能。

4 結語

本實驗構建了實驗的自動化模塊，實現了RGBLED顏色數據的自動化校準和數據采集，并實現對獲取到的數據進行源頭可追溯。通過實驗表明，提出的RGB-LED顏色校準方法在CIE1931 色度空間下平均誤差小于0.01，每種顏色平均校準速度達到2 s。本文提出的方法適用于包含大量重復數據采集步驟的科研項目，研究人員可以參考本文，搭建適合自己科研項目的自動化數據可追溯系統，提高科研效率。