光学模拟式教学测色仪系统设计与实现

引言
根据色度学原理，颜色可以通过量化的手段来 监控与传递。目前颜色测量主要有三种方法: 目 视法、分光光度法、光电积分法，光学模拟式测色 仪采用光电积分法，模拟人眼的三刺激值特性。上海昕瑞该方法是通过把探测器的光谱响应曲线匹配成所要 求的 CIE 标准色度观察者光谱三刺激值曲线，或某 一特定的光谱响应曲线，来对被测量的光谱功率进 行积分测量，利用光电积分效应，测得颜色的三刺 激值。为了测得比较准确的三刺激值，必须对光学模拟式教学测色仪利用硅光电池组作为 探测器。硅光电池是一种自发式的光电元件，在 不同光照度下产生不同的电动势和光电流，其线 性范围较宽，但单个光电池在光照较弱时产生的 电信号较小［9］。为增加电信号强度，采用 8 个相 同型号的硅光电池串联组成硅光电池组。利用四 组经过滤色片校正的硅光电池组模拟 CIE 标准观 察者光谱响应特性，使仪器的输出电压信号与色 源三刺激值构成线性关系，从而得到三刺激值与 色品坐标.
因此，该仪器系统有以下设计要求:
1) 能够测量硅光电池组的输出电压信号与暗 电流信号，并尽可能减少或抵消噪声信号。
2) 对电压信号进行处理得到三刺激值与色品 坐标，在软件平台上显示处理结果，在色品图上标 出并保存。 根据以上设计要求，系统分为上位机、下 位 机两部分。下位机系统针对信号的测量与降噪的 设计要求，采用低功耗仪表放大器 AD620 芯片作 为测量端，采用 Arduino Nano 单片机作为主控端， 使用串口与 PC 通讯; 上位机系统针对数据处理与 结果显示的设计要求，采用 Matlab GUI 作为平台。 系统能够实现的功能是仪器标定、对 信 号 采 样、 处理、显示结果并保存。

下位机系统设计与测试
上海昕瑞信号放大、降噪 经过实际测量，硅光电池组输出的电信号较弱， 环境噪声相对较大，需要差动放大电路进行放大基本的差动放大电路精密性较差，且差动放 大电路变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响 信号精密性的变因更加复杂，而仪表放大电路则无 上述问题，因此下位机系统采用封装了仪表放大 电路的 AD620 芯片。根据 Analog Devices 官方数据手 册，AD620 具有高精度 ( 最大非线性度 40 ppm) 、 低失调电 压 ( 最 大 50 μV) 和 低 失 调 漂 移 ( 最 大 0. 6 μV/°C) 特性，常用于精密数据采集系统，对于 精度要求并不高的教学仪器是理想之选。

模数转换、滤波、通讯
上海昕瑞下位机系统采用 Arduino Nano 开发板进行模数 转换、滤波和通讯。Arduino Nano 拥有 6 路模拟 IO 口，可以同时对多个硅光电池组信号进行采样，模 数转换精度达到 10 位; 内置通讯模块支持串口和蓝 牙，可以方便地实现与 PC 主机的数据和指令 传输。 在实际测量中发现，在 Arduino 采 样 得 到 的 1000 组原始数据，存在一定的尖峰脉冲，为了得到 更为精确的测量值，使用中值滤波算法对原始数据 进行处理。中值滤波是基于排序统计理论的一种能 有效抑制噪声的非线性信号处理技术，在图像处理 中应用广泛.

下位机系统测试
在计算机上发送控制指令后，下位机进行每秒 1 000次的采样和滤波，此时上位机接收到数据，学 生可以通过如图 2 所示的 Matlab GUI 软件窗口清楚 地观察到测量数据和滤波处理前后的效果。

软件结构与测试效果
1) 数据读取。软件测试效果如图 3 所示，左 上部分为控制台，界面模拟常见的串口调试助手， 点击 “读入数据”按钮将向下位机发送采样指令.
2) 数据记录与处理。软件界面左下部分为软 件数据表，记录测量数据。根据光学积分式测量方 法，需要测量并记录对应 X1，X2，Y，Z 四组滤色 片的电压数据，每组滤色片分别记录标准白板数据 Dw1 ～ Dw4，光吸收阱数据 Db1 ～ Db4，样品数据 Dt1 ～ Dt4共 12 组数据.

为方便学生观察，每次只显示 5 组数据，色品 图中星号代表标准值，圆圈代表拟合之后的样品值， 可见样品在蓝、绿、红三种波长范围内拟合情况均 较好，符合人眼视觉的直观感受。 在仪器的实际研发与测试中，经过数百组数据 拟合和反复测量，得到了较为稳定的最优 K 值和符 合人眼视觉感受的测量效果。同时，这也证实了仪 器系统的稳定性和可靠性，足以满足仪器设计要求 和教学演示要求。

结语
光学模拟式教学测色仪系统结构简单，易于操 作，能够稳定测量颜色样品，经过误差修正的结果 符合人眼视觉感受。系统将色度测量与数据处理过 程直观呈现，便于学生观察学习，理解上海昕瑞测色仪工作 原理与色度学相关理论。