VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION
SENZOR BARVY PRO ŘÍZENÍ PARAMETRŮ VÝTLAČNÉHO LISU COLOR SENSOR FOR FEEDBACK CONTROL OF PRESS
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
MICHAL PROCHÁZKA
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2013
Ing. PETR PETYOVSKÝ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav automatizace a měřicí techniky
Bakalářská práce bakalářský studijní obor Automatizační a měřicí technika Student: Ročník:
Michal Procházka 3
ID: 134703 Akademický rok: 2012/2013
NÁZEV TÉMATU:
Senzor barvy pro řízení parametrů výtlačného lisu POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Cílem práce je navrhnout a vytvořit sestavu s PLC, popřípadě mikrokontrolérem a snímačem barvy pro snímání informace o barevnosti materiálu určeného k izolaci vodičů. V závislosti na zjištěných datech bude prováděna regulace parametrů výtlačného lisu tak, aby byla dodržena barevnost izolace v souladu s požadavkem normy. 1. Seznamte se s definicí barvy a její reprezentací pomocí různých barevných modelů. 2. Nastudujte, jaká existují průmyslová řešení pro snímání barev. 3. Nastudujte a diskutujte možná řešení řídicí jednotky. 4. Popište zvolené komponenty a jejich možnosti: (snímač barvy, řídicí jednotka, zobrazovací zařízení). 5. Navrhněte a realizujte hardwarové řešení celé soustavy. 6. Realizujte měřicí a popište regulační část soustavy výtlačného lisu. 7. Vyhodnoťte výsledky měření na testovacích vzorcích kabeláže. 8. Zhodnoťte dosažené výsledky, uveďte výhody a nevýhody zvoleného řešení a navrhněte další možné úpravy. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] SKALA, Václav. Světlo, barvy a barevné systémy v počítačové grafice. 1. vyd. Praha: Academia, 1993, 130 s. ISBN 80-200-0463-7. Termín zadání:
11.2.2013
Termín odevzdání:
Vedoucí práce: Ing. Petr Petyovský Konzultanti bakalářské práce: doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.
doc. Ing. Václav Jirsík, CSc. Předseda oborové rady
27.5.2013
UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.
Anotace Práce navazuje na semestrální projekt, který se teoreticky zabýval zpracováním barev a provedením rešerše dostupných hardwarových řešení pro daný problém. V úvodu práce je rozebrána základní teorie týkající se barevných modelů, která představuje nástin, jakým způsobem bude zadání po stránce barevných modelů možné naprogramovat. V dalších částech práce jsou rozebrány jednotlivé hardwarové komponenty a to řídicí člen, RGB snímač, TWI komunikace, zobrazovací jednotka a jednotka USART. K těmto komponentům jsou vždy popsány základní softwarové funkce. Ke konci práce je popsán měřicí systém jako celek. V úplném závěru je zamyšlení nad tím jak zadanou problematiku ještě vhodně rozšířit. Klíčová slova barva, identifikace barvy, RGB snímač, TWI, mikrokontroler, ATmega 128, USART
4
Annotation This thesis builds on the semestral thesis, which deals with color processing theory and research available hardware for solution. The introduction discusses the basic theories on color models, which is an outline of how the award for the color models can be programmed. The second part is focused on different hardware components and control elements, RGB sensor, TWI communication, imaging units and USART. These components are always describes the basic software functions. At the end of the thesis describes the measurement system as a whole. At the very end of the work is to think of it as a given topic more appropriately extended. Keywords color, color identification, RGB sensor, TWI, microcontroller, ATmega 128, USART
5
Bibliografická citace PROCHÁZKA, M. Senzor barvy pro řízení parametrů výtlačného lisu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2013. 43 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Petyovský.
6
Prohlášení „Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Senzor barvy pro řízení parametrů výtlačného lisu“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních, a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.
V Brně dne:
7
………………………… podpis autora
Poděkování
Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Petru Petyovskému za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat externímu konzultantovi Doc. Ing. Miloslavu Steinbauerovi Ph.D.. V Brně dne:
8
………………………… podpis autora
Obsah 1Úvod........................................................................................................................................10 2Barevné modely.......................................................................................................................11 2.1RGB model.......................................................................................................................11 2.2Model CMYK..................................................................................................................13 2.3Model HSL.......................................................................................................................14 3Hardwarové řešení.................................................................................................................. 15 3.1Řídicí člen........................................................................................................................ 15 3.2RGB snímač.....................................................................................................................18 3.2.1Snímač ADJD-S371-QR999.....................................................................................18 3.3Komunikace snímače ADJD-S371-QR999 s kitem MB-ATmega128.............................21 3.4Zobrazovací jednotka.......................................................................................................21 3.4.1Modul displeje s řadičem a maticovou klávesnicí.................................................... 21 3.5Jednotka USART..............................................................................................................22 3.5.1RS-232...................................................................................................................... 23 4Realizace měřicí části..............................................................................................................25 4.1Základní naprogramování kitu.........................................................................................25 4.2Modul displeje s řadičem.................................................................................................25 4.3RGB snímač.....................................................................................................................26 4.3.1TWI...........................................................................................................................26 4.4Zapojení RGB snímače....................................................................................................29 4.5Komunikace USART....................................................................................................... 30 5Měřicí systém..........................................................................................................................32 5.1Testovací kalibrace...........................................................................................................33 5.2Práce s měřicím systémem...............................................................................................35 6Rozšíření měřicího systému....................................................................................................36 7Závěr....................................................................................................................................... 38
9
1 ÚVOD Vlastní zadání práce je rozděleno do čtyř dílčích celků. V úvodu práce je uvedena základní teorie týkající se barevných modelů, za jejíž pomoci poté bylo provedeno vlastní naprogramování měřicího systému. Bod zadání číslo 5 „Navrhtěte a realizujte hardwarové řešení celé soustavy“ bude řešený po rozsáhlé rešerši dostupných hardwarových komponent. Zejména se jedná o řídicí člen, RGB snímač a vhodnou zobrazovací jednotku. Jednotlivé komponenty bude třeba vybrat tak, aby byly schopny vzájemné spolupráce a případně dalších vhodných rozšíření. Bod zadání číslo 6 „Realizujte měřicí a popište regulační část soustavy výtlačného lisu“ rozebere vlastní konfuguraci a naprogramování již zvolených komponent z bodu 5. Vytvořený systém bude schopný měření RGB složek testovacích vzorků. Dle požadavků praxe bude dále patřičně rozšířen o vhodnou regulační část. Bod zadání číslo 7 „Vyhodnoťte výsledky měření na testovacích vzorcích kabeláže“ předpokládá testování systému na dodaných vzorcích kabeláže. Výstupem tohoto bodu by mělo být zhodnocení kvality vlastního měření. Bod zadání číslo 8 „Zhodnoťte dosažené výsledky, uveďte výhody a nevýhody zvoleného řešení a navrhněte další možné úpravy“ požaduje celkové zhodnocení vytvořeného prototypu měřicího systému. Zhodnocení bude provedeno za základě softwarových a hardwarových vlastností. Současně bude diskutována kvalita získaných dat při vlastním měření.
10
2 BAREVNÉ MODELY Pro účely měření bylo nutné se seznámit se způsobem matematického zápisu barevných modelů, aby bylo možné s nimi dále pracovat. Dále budou uvedeny významné (nejčastěji používané) barevné modely.
2.1 RGB model Jedná se o jeden z nejpoužívanějších modelů. Využívá se ve všech monitorech a projektorech. Funguje na principu aditivního mísení barev → vlastní grafický výstup je zajištěn mísením vyzařovaných barev. To tedy znamená, že tento model nepotřebuje vnější osvětlení a je schopen zobrazovat výstup i v naprosté tmě. Vlastní definice tohoto systému je následující: „Jsou-li za základní barvy vybrány barvy červená (R), zelená (G) a modrá (B), pak téměř všechny barvy jsou vyjádřitelné pomocí váhového součtu jednotlivých složek. Vezmemeli v úvahu viditelné spektrum vlnových délek, pak každé vlnové délce odpovídá jistá barva. „[1]
Vlnové délky základních barev zvolené komisí CIE jsou: červená (R) – 780,0 nm ; zelená (G) – 546,1 nm ; modrá (B) – 435,8 nm Záznam dat pomocí RGB modelu je bitový, kdy 8 bitů umožňuje rozsah 256 hodnot pro každý kanál(barvu). Případně lze použít model s 16-ti bity, což umožní rozsah barev v rozsahu 65536 pro každý kanál(barvu). Vlastní způsob mísení je uveden na ilustraci 1 a záznam RGB složek ve 3D prostoru na ilustraci 2.
11
Ilustrace 1: Aditivní míchání barev[2]
Ilustrace 2: 3D zobrazení RGB dat[2] 12
2.2 Model CMYK Jde o barevný model založený na odlišném principu, než RGB model. Zde se ke smíchání požadované barvy použije barev Cyan(azurová), Magenta(purpurová), Yellow(žlutá) a blacK(černá) s tím, že se vzájemně odečítají. Jedná se o takzvaný princip subtraktivního míchání barev. Princip je uveden na ilustraci 3. Teoreticky by ke smíchání libovolné barvy stačil pouze barevný model CMY, ale prakticky ne. Jelikož jsou v praxi barvy reálné, nikoliv teoretické (nemají ideální vlastnosti), dojde k tomu, že pokud se pokusíme vytvořit černou barvu, vznikne barva hnědo/šedivá. Kvůli této skutečnosti je model rozšířen o blacK, tedy černou. Zároveň je důvod tohoto rozšíření ekonomický (použití toneru v tiskárně), protože je černá barva nejpoužívanější, např. při tisku textu. Jak již bylo uvedeno, tento model se používá v tiskových zařízeních (tiskárny, plotery, apod.).
Ilustrace 3: Subtraktivní míchání barev[3] 13
2.3 Model HSL „Nevýhodou dosud uvedených barevných systémů je, že jsou víceméně orientované na vlastnosti zařízení. Je jen velmi obtížné si představit, jak běžný uživatel vyjádří hnědou barvu pomocí jednotlivých složek v systému RGB. Z toho důvodu byly odvozeny i jiné barevné systémy, které jsou orientovány uživatelsky a které mají za základ opět tři složky a to: - barevný tón (Hue – označuje se písmenem H), - sytost barvy(Saturation – označuje se písmenem S), -jas(někdy označován jako světlost/tmavost; Value, popř. Lightness – označuje se písmenem V, popř. L)“[1] Princip záznamu dat modelu HSV (HSL) je uveden na ilustraci 4.
Ilustrace 4: Grafické zobrazení HSV(HSL) modelu[4]
14
3 HARDWAROVÉ ŘEŠENÍ 3.1 Řídicí člen Jako řídicí člen byl zvolen vývojový kit s procesorem Atmega128 od firmy PK Design uvedený na ilustraci 5. Jednotlivé vývody procesoru jsou uvedeny na ilustraci 6. Tento produkt byl vybrán z několika důvodů. Zejména pro schopnost komunikovat za použití protokolu I2C, který je užíván pro komunikaci s LCD displejem a dále kvůli přítomnosti dvou komunikačních portů USART. Uvedené komunikační protokoly budou podrobněji rozebrány v dalších částech práce.
Ilustrace 5: Základová deska MBATmega128 v3.0[5]
Vlastnosti základové desky jsou následující: •
„Základová deska obsahuje RISC-ový mikrokontroler Atmel ATmega128-16AI TQFP64.
• Pro vytváření programového kódu je možné použít volně dostupný vývojový software Atmel AVR Studio či WinAVR-GCC.
15
• Mikrokontroler se programuje ISP nebo JTAG programátorem připojeným na příslušný konektor (JTAG umožňuje i ladění). • Všechny I/O vývody MCU jsou přístupné na detailně popsaných konektorech, na které je možné připojit přídavné moduly či uživatelský hardware. • Vestavěné periferie je možné odpojit a konfigurovat pomocí propojek, což zaručuje vysokou univerzalitu desky. • Napájecí napětí pro mikrokontroler a pro připojené moduly (+5V) je vytvářeno napěťovým regulátorem umístěným na desce. • K mikrokontroleru je standardním způsobem připojena asynchronní SRAM paměť 128k x 8bit, 55ns. Připojení řídících vodičů paměti k MCU je možné měnit pomocí propojek. • Základová deska obsahuje nastavitelnou napěťovou referenci pro interní AD převodník mikrokontroleru a také umožňuje připojení externí napěťové reference, či použít jako referenci napájecí napětí Vcc. • Zdrojem hodinového signálu pro mikrokontroler může být krystal umístěný v patici na základové desce, a nebo externí zdroj hodinového signálu. Základová deska je dodávána s krystalem 14.7456MHz. • Pro vnitřní RTC obvod mikrokontroleru je na desce umístěný odpojitelný krystal 32.768kHz. • Základová deska dále obsahuje 2 odpojitelné sériové rozhraní RS-232. • Mikrokontroler je možné resetovat tlačítkem RESET. • Rozměry (v x š x d) : 25mm x 74mm x 107mm „[5]
16
Vlastnosti mikrokontroleru Atmega128-16AI TQFP64 jsou: •
„8-bitový RISC mikrokontroler.
• Výkon - 16MIPS/16MHz - 12x rychlejší než x51 na stejné taktovací frekvenci. • Plně statická funkce. Interní kalibrovaný RC oscilátor. • Dvou-cyklová násobička na čipu. • 133 výkonných instrukcí, většinou jednocyklových. • 32 osmibitových registrů pro obecné použití. • 128kB programová FLASH paměť, programovatelná přímo v aplikaci s možností uzamknutí 10.000 zápisových/mazacích cyklů s volitelnou velikostí bootovací sekce s nezávislým uzamykáním. • 4kB EEPROM, 100.000 zápisových cyklů. • 4kB interní SRAM. • JTAG (IEEE std. 1149.1) rozhraní pro programování a ladění. • 8-kanálový 10-bitový A/D převodník, analogový komparátor. • Bytově orientované sériové rozhraní (TWI). • Dvě programovatelné USART komunikační rozhraní. • Master/slave SPI sériové rezhraní. • Dva 8-bitové čítače a dva 16-bitové čítače, každý s vlastní před-děličkou. • Dva 8-bitové PWM kanály. • 6 PWM kanálů s programovatelným rozlišením 2-16 bitů. • Programovatelný Watch-dog časovač s vestavěným oscilátorem na čipu. • Čítač reálného času RTC s odděleným oscilátorem. • 6 režimů snížené spotřeby. • 53 programovatelných I/O vývodů. • Napájecí napětí 4.5V-5.5V. „[5]
17
Ilustrace 6: Schéma vývodů mikrokontroleru ATmega128[6]
3.2 RGB snímač Jeho výstupem je barevný model, který již byl uveden výše. Respektive model je reprezentován pomocí jiné veličiny. Při použití snímače typu CCD je touto veličinou náboj pro snímač typu CMOS se jedná o proud. Výstupem snímače je poté buď analogový, nebo digitální signál.
3.2.1 Snímač ADJD-S371-QR999 Data uvedená v literatuře [7] prezentují senzor ADJD-S371-QR999 (výrobcem je Avago technologies), který disponuje čtyřvodičovým výstupem s kanály RGB + bílá. Jeho funkce je uvedena na ilustraci 7. Jedná se o miniaturní integrovaný obvod s bílou LED diodou, CMOS integrovaným obvodem, který obsahuje RGB filtry + bílý kanál a dále analogově-digitální převodník. Hodnoty spektrální citlivosti pro jednotlivé kanály senzoru jsou uvedeny na ilustraci 8. Je vhodný pro detekce barev, jejich měření a identifikaci. Zejména je vhodné ho používat v mobilních zařízeních pro jeho velikost a nízkou spotřebu.
18
Pro komunikaci s mikrokontrolerem, nebo jinou řídicí jednotkou je obsažena I 2C označována i jako TWI sběrnice. Obvod je možno uvést do stavu sleep, čímž dojde ke značné úspoře spotřeby energie. To je vhodné zejména pro již uvedenou aplikaci v mobilních zařízeních (např. mobilní telefony). Teoretické zapojení je uvedeno na ilustraci 9, praktická realizace na desce plošných spojů poté na ilustraci 10.
Ilustrace 7: Princip funkce RGB snímače ADJD-S371-QR999[7]
Ilustrace 8: Spektrální citlivost (při totožné hodnotě gain(citlivost) pro všechny kanály)[7] 19
Ilustrace 9: Vlastní zapojení senzoru ADJD-S371-QR999[7]
Ilustrace 10: Osazení snímače na desce
20
3.3 Komunikace snímače ADJD-S371-QR999 s kitem MBATmega128 Snímač komunikuje s okolím pomocí synchronní sériové linky. Tato linka se nazývá I2C (v případě mikrokontroleru ATmega128 se tato linka nazývá TWI – funkce je naprosto identická s I2C, jde o bitově orientované rozhraní). Velkou výhodou linky I2C je využití malého počtu kabelů, určených ke komunikaci, a možnost připojit až 128 zařízení. Komunikace funguje na principu master/slave, kdy je řídicí jednotka v pozici master a periferie v pozicích slave. Vlastní princip je uveden na ilustraci 11. K celému ovládání se využívá bitů (kabelů) SDA a CLK. Maximální frekvence hodin této linky je 100kHz.
Ilustrace 11: Princip funkce I2C[8] (uC – mikrokontroler, ADC – A/D převodník, DAC – D/A převodník)
3.4 Zobrazovací jednotka Jakýkoliv měřící systém, který bude ovládán obsluhou, musí být vybaven vhodným komunikačním rozhraním. Toto rozhraní může být jak se zpětnou vazbou, tak bez ní. To znamená, že obsluha by byla schopna za použití vhodného zásahu měnit stav měřených dat a tím provádět jejich regulaci.
3.4.1 Modul displeje s řadičem a maticovou klávesnicí Vzhledem k tomu, že v praxi se využívá mikrokontrolerů a PLC pro vykonávání složitějších operací, je vhodné, aby tyto řídicí jednotky obsahovaly také nějakou zobrazovací jednotku pro snazší ovládání.
21
Pro tyto účely by bylo možné použít například i obyčejných LED diod, sedmisegmentového LED zobrazovače (ilustrace 12), vhodného softwaru, nebo inteligentního LCD displeje (ilustrace 12). Poslední možnost, tedy inteligentní LCD displej, má své jméno proto, že je práce s ním velmi zjednodušena. To je způsobeno tím, že obsahuje řadu přídavných obvodů, díky kterým nemusíme řešit například vkládání vlastních znaků, ale jen pošleme příkaz pro vložení. Pokud by tuto vlastnost displej neměl, bylo by nutné pro každý požadovaný znak vytvořit speciální složitou funkci, která by zajistila složení znaku z jednotlivých bodů displeje, což by bylo velmi zdlouhavé a složité pro vývojáře cílové aplikace.
Ilustrace 12: Modul sedmisegmentového displeje(vlevo) a LCD displeje(pravo) s maticovou klávesnicí[5]
3.5 Jednotka USART Jedná se o obvod schopný jak synchronní, tak asynchronní obousměrné komunikace s vysokou přenosovou rychlostí. Podporuje 5-9 datových bitů, 1-2 stopbity, možnost výběru parity. Je schopný i multiprocesorové komunikace. Popis jednotky je následující: „Jednotku můžeme rozdělit na tři části: • Generátor hodinových pulzů • Vysílač 22
• Přijímač Generátor hodinových půlzů slouží k synchronizaci vysílací i přijímací části. Používá se pro synchronní sériový režim. Vysílač. Je-li jednotka USART korektně nastavena, provede se odeslání byte pouhým zapsáním do registru UDR. Po úspěšném odvysílání je nastaven příznak TXC v registru UCSRA. Přijímač. Je-li jednotka USART korektně nastavena, je po příjmu znaku nastaven příznak RXC v registru UCSRA. Poté je možno přečíst přijatý znak opět z registru UDR. Důležité je, že znak může být čten pouze jednou.“[9] K propojení s PC je tedy použit obvod USART, který má 2 vývody pro použití v klasickém sériovém portu. Ten je spojen s PC za použití sériového kabelu.
3.5.1 RS-232 Obvod USART je využit jako rozhraní pro připojení RS-232. Připojení daných signálů na patřičné piny je uvedeno na ilustraci 13. V klasických stolních PC byla tato komunikace již zcela vytlačena a nahrazena standardem USB. V technické praxi je tento standard však stále hojně užíván, jelikož se jedná o zcela bezkolizní fyzickou vrstvu. V současné době se však častěji využívá různých modifikací RS-232, například RS-422 a RS-485.
Ilustrace 13: RS232 popis pinů[10] 23
Sériový kabel užívaný k přenosu dat při vlastní realizaci je uveden na ilustraci 14.
Ilustrace 14: Standardní sériový kabel typu F/F 9pinů
24
4 REALIZACE MĚŘICÍ ČÁSTI V této kapitole bude rozebráno vlastní nastavení jednotlivých komponent, které byly využity k sestrojení prototypu měřicího systému. Budou zde uvedené vývojové diagramy, zdrojové kódy a další potřebná data. Rozeberou se zde následující dílčí komponenty: vlastní kit s mikrokontrolerem, displej s řadičem, RGB snímač, RS232. Každá dílčí část systému byla napsána do vlastního .h a .c souboru pro zpřehlednění zdrojových kódů. Každý hlavičkový soubor je ošetřený proti vícenásobnému načtení a tím jsou minimalizovány nároky na výpočetní výkon a paměť při kompilaci.
4.1 Základní naprogramování kitu Funkce init_processor() provede základní nastavení kitu s mikrokontrolerem. Zajišťuje deaktivaci konektoru JTAG, na který lze připojit JTAG programátor. Při řešení byl využitý pouze ISP programátor, a proto bylo nutné JTAG odpojit. Další příkazy provádí vhodné nastavení čítače a časovače.
4.2 Modul displeje s řadičem Vlastní modul je uveden na ilustraci 12. Na kitu je připojený k portu CON4 → ilustrace 15. Před jakoukoli prací s displejem je nutné nejprve provést jeho inicializaci za použití funkce init_lcd(). Funkce provede inicializaci portů, respektivě jejich nastavení jako výstupů. Dále se nastaví 8-bitová komunikace, zobrazení displeje na 2 řádky a velikost znaku 5*7 bodů. Poté se provádí nastavení kurzoru do startovní pozice a nastavení módu displeje. Jako poslední se provádí zvuková signalizace pro obsluhu. Další ze základních funkcí je clear_disp(). Ta provede vymazání dat zobrazených v daný okamžik na displeji a provede nastavení ukazatele do startovní pozice. Funkce put_char() funguje jako ekvivalent standardní funkce putchar s tím rozdílem, že data jsou z této funkce zasílána na displej LCD. Put_string() rozšiřuje výstup funkce put_char() o možnost odeslat na výstup, tedy LCD displej zvolený řetězec. 25
Jako poslední je vhodné zmínit funkci lcd_setposition(), která provedena nastavení kurzoru displeje do námi zvolené pozice a tím umožňuje vkládat znaky na libovolné místo displeje.
Ilustrace 15: Mikrokontroler s LCD displejem
4.3 RGB snímač K jeho správné funkci bylo nutné nejprve provést vhodné nastavení linky TWI (two wire interface) neboli I2C.
4.3.1 TWI Tato linka potřebuje být pro svoji práci nejprve vhodně inicializována → k tomu se využívá vzorec 1, který zapsáním dat do registrů TWSR a TWBR nastaví požadovanou komunikační frekvenci. F CPU
= f [ Hz ](1) TWSR 16+2∗TWBR∗( 4 ) Vzorec 1: Teoretické nastavení komunikační frekvence TWI Hodnotu f zvolíme 100 Khz a tak musíme nastavit hodnoty TWBR=0x42 a TWSR=0x00. Tím dostaneme výsledek dle vzorce 2. 26
F CPU TWSR
16+2∗TWBR∗(4
=
F CPU 0
) 16+2∗66∗(4 )
=99632,432=100 000 KHz (2)
Vzorec 2: Vlastní výpočet frekvence TWI
Po tomto základním nastavení dle vzorce 2 můžeme s linkou TWI již bez problémů pracovat. Vlastní komunikaci obstarávají dva vodiče a to SCL (Synchronous clock), neboli hodinový signál a datový signál SDA (Synchronous data). Způsob práce se signály SDA a SCL je naznačen na ilustracích 16, 17, 18 a 19. Na základě těchto diagramů lze vytvořit požadované stavy na patřičných zařízeních. Na ilustraci 20 jsou uvedeny jednotlivé registry RGB snímače. Pro komunikaci po této lince byly vytvořeny dvě funkce, první zajišťuje čtení TWI_read() a druhá zápis TWI_write().
Ilustrace 16: Start/stop příkaz na lince TWI[7]
Ilustrace 17: Přenos bitu po lince TWI[7]
27
Ilustrace 18: Protokol zápisu do registru[7]
Ilustrace 19: Protokol čtení z registru[7]
Ilustrace 20: Seznam registrů vlastního RGB snímače[7] 28
4.4 Zapojení RGB snímače Na ilustraci 21 je uvedeno teoretické zapojení RGB snímače. Ze schématu je patrné že signály XRST, SDA a SCL jsou připojeny pull-up rezistorem ke kladnému napětí, což zajistí vysokou úroveň v klidovém stavu. Rezistor R3 připojený k signálu SLEEP zajistí to, že se snímač nikdy nedostane do řežimu spánku. Kondenzátory C5 a C6 jsou vloženy jako oddělovací kondenzátory. Tranzistor Q1 je použitý pro spínání LED diody.
Ilustrace 21: Teoretické zapojení RGB snímače
Ilustrace 22: Hardwarová realizace zapojení za použití nepájivého pole 29
4.5 Komunikace USART Komunikace pomocí tohoto obvodu je nastavena v asynchronním režimu a tím je umožněna komunikace pomocí RS232, tedy sériového rozhraní. Vlastní naprogramování je provedeno pro port č.1, port 2 je nevyužitý. Funkčnost tohoto rozhraní obstarávají funkce init_USART(), tato funkce provede nutnou inicializaci, která obstará nastavení přenosové rychlosti a další náležitosti. Dále je zde funkce USART_Transmit(), ta slouží k přenosu data typu char → jednotlivých znaků. Jako poslední je zde funkce USART_TransmitString(), která zajišťuje přenos dat typu char* → řetězec. Pro správnou komunikaci je mimo dílčích funkcí nezbytné přepojit jumpery JP5 řídicí jednotky a použít křížený sériový kabel. Jumpery jsou vyznačeny na ilustraci 23. Dále je nutné zmínit, že pro správnou komunikaci na straně PC, nebo dalších vhodných periferií je třeba provést nastavení linky na přenosovou rychlost 9600 baudů, 8 datových bitů, 1 stop bit, bez parity. Zapojení používaného kabelu je na ilustraci 24.
Ilustrace 23: Řídicí jednotka s vyznačenými jumpery[5]
30
Ilustrace 24: Křížený sériový kabel[11]
31
5 MĚŘICÍ SYSTÉM Jednotlivé dílčí části měřicího systému byly rozebrány výše. V této kapitole bude uveden vlastní prototyp (ilustrace 25), schéma spolupráce jednotlivých komponent (ilustrace 26), schématický průběh programu(ilustrace 27) a koncem kapitoly bude uvedena ukázková kalibrace.
Ilustrace 25: Prototyp měřicího systému
Ilustrace 26: Komunikační rozhraní dílčích komponent 32
Ilustrace 27: Pracovní cyklus měřicího systému
5.1 Testovací kalibrace Požadavkem zadání bylo dle bodu 7 provést měření na testovacích vzorcích kabeláže. Vzhledem k tomu, že pro dané vzorky nebyly známy parametry RGB, byl zvolen jiný postup řešení, a to použití laboratorních vzorků firmy Roscolux, u kterých byly tyto parametry zjistitelné. Vhodné nastavení parametrů zesílení a doby integrace se provádí zvlášť pro každý daný kanál dle následujícího postupu, který je uveden na ilustraci 28. Rozsah výstupních hodnot jednotlivých kanálů je 0-1024.
33
Ilustrace 28: Optimalizační procedura[12] Z diagramu lze vidět, že se při nastavování vhodného zesílení a doby integrace jedná o určitý iterační postup, který má za úkol najít nejvhodnější parametry. Nastavené parametry jsou v pořádku za předpokladu, že nedojde při načtení dat z konkrétního kanálu k nárustu této hodnoty přes údaj 1000. V případě, že ano, je nutné provést další iteraci. Postup kalibrační procedury je tedy hardwarový reset, nastavení vhodného zesílení a doby integrace, ověření výstupu z daného kanálu senzoru. Další postup je na základě zjištěných dat.
34
Pro vzorek firmy Roscolux s označením #4430 CALCOLOR 30 GREEN byla provedena testovací kalibrace(viz. Tabulka 1) za účelem dosažení garantovaných hodnot. Měření bylo prováděno v laboratoři počítačového vidění, v provizorní měřicí komoře, odstíněné od okolního světla. Osvětlení vlastního vzorku zajišťoval LED dioda obsažená na RGB snímači. Parametry R, G a B v tabulce 1 představují vyjádření jednotlivých RGB složek Rcap představuje zesílení pro R kanál, RIL a RIH slouží k nastavení doby integrace R kanálu. Další parametry jsou identické pro ostatní kanály. Měření
R
Teoret. 151
G
B
Rcap
RIL
RIH
Gcap
GIL
GIH
Bcap
BIL
BIH
244
89
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
2
0
2
0x00
0x00
0x00
0x00
0x00
0x00
0x00
0x00
0x00
2
1
0
2
0x05
0x00
0x00
0x05
0x00
0x00
0x05
0x00
0x00
3
59
99
51
0x05
0xF4
0x01
0x05
0xF4
0x01
0x05
0xF4
0x01
4
99
172
96
0x07
0xE8
0x03
0x07
0xE8
0x03
0x07
0xE8
0x03
5
151
244
89
0x08
0x31
0x06
0x09
0x06
0x18
0x0E
0xBF
0x04
Tabulka 1: Kalibrační měření Z tabulky 1 vyplývá, že při kvalitní kalibraci lze získat RGB parametry udávané výrobcem vzorků. Systém je tedy schopný získat naprosto přesná data.
5.2 Práce s měřicím systémem Pro získávání kvalitních výsledků je nutné zejména správně provést kalibrace RGB snímače. I přes precizní provedení kalibrací je však možné, že získávaná data nebudou odpovídat skutečnosti. Důvody, proč k těmto stavů dochází budou diskutovány v další kapitole, tedy kapitole 6. Práce se systémem je v současné době taková , že po kalibracích dochází k výpisu jednotlivých RGB složek na displej a současnému odesílání dat pomocí linky RS232 v identické formě zápisu. Formát dat je textový řetězec ve tvaru R000 G000 B000 cycle000 kdy číselný údaj za jednotlivými RGB složkami je v rozsahu od 0 do 255, parametr cycle funguje jako čítač. Data zasílaná po sériové lince jsou určena k dalšímu možnému zpracování za použití vhodného SW. Data zasílaná na displej jsou určena k základní kontrole prováděné obsluhou systému.
35
6 ROZŠÍŘENÍ MĚŘICÍHO SYSTÉMU Požadavkem zadání dle bodu 6 bylo diskutovat regulační část výtlačného lisu. Současně vytvořený prototyp je schopný pouze měření bez jakékoli další zpětné vazby. Tato zpětná vazba do měřeného procesu by byla dalším nutným krokem k nasazení do potřeb praxe. Regulační část systému by bylo možné řešit dvěma způsoby → buď vlastní regulaci provádět na základě výpočtů provedených uvnitř mikrokontroleru, což by znamenalo použít stávající výpočetní výkon a paměť použitého mikrokontroleru. V současné době zabírají vlastní funkce pro měření a patřičné inicializace pod 20% paměti mikrokontroleru. Tato možnost by tedy byla realizovatelná. V případě, že by byl požadavek pro řízení nadřazeným systémem, bylo by možné odesílat buďto pouze naměřená data a nadřazený systém by vše řešil samostatně, případně provést výpočet mikrokontrolerem a nadřazenému systému odeslat povel k regulaci. Způsob řešení by byl závislý na požadavcích praxe. Další nutné rozšíření pro praktické použití měřicího systému by bylo vytvoření vhodné měřicí komory, která by zajišťovala odstínění měřeného vzorku od zdroje rušivého okolního světla vzhledem k tomu, že za současného stavu byla využita krabice od obuvi. Komoru by bylo nutno vytvořit z dostatečně odolných materiálů, vzhledem k použití ve firmě zabývající se výrobou kabeláže. Okolní prostředí bude vytvářet značné teplo a komora by musela těmto výkyvům odolávat po dostatečně dlouho dobu. Vlastní komora by mohla být řešena dvěma rozdílnými způsoby → vlastní RGB snímač by byl obsažen uvnitř komory a to by znamenalo přivést komunikační kabely ke komoře. Mikrokontroler a snímač by tedy musely být propojeny po poměrně dlouhé kabelové trase a tím by mohlo v kabelech vznikat nežádoucí rušení, které by mohlo úplně znemožnit vlastní měření. Tento nežádoucí jev by se dal patrně eliminovat použitím vhodného světlovodu, který by byl přiveden dovnitř měřicí komory a z ní by byl dále veden až k RGB snímači. Tímto by se značně zkrátila kabelová trasa (tedy možné rušení) a v případě možného poškození by došlo ke zničení světlovodu, který je však možné velmi rychle vyměnit vzhledem k průmyslovým koncovkám na jednotlivých koncích. Jednotlivé světlovody by bylo možné vybírat na základě několika parametrů. Zejména z hlediska světelné propustnosti se jednotlivé světlovody liší na základě fyzikálních principů přenosu světla. Dále se různí jednotlivé průměry světlovodu, jeho délky a počtu výstupů. Důležitým faktorem je také cena. 36
Ilustrace 29: Optický světlovod[13] Dalším vhodným rozšířením by bylo provádění kalibrací buďto za použití maticové klávesnice popřípadě nastavování parametrů z uživatelského PC/nadřazeného řidicího systému přes sériovou linku. Vhodné nastavení sériové linky by patrně bylo obsáhlejší, jelikož by bylo nutné se cyklycky dotazovat mikrokontrolerem, jestli nepřišel požadavek na změnu některého parametru. V případě, že požadavek byl vyslán bude vhodným protokolem vyhodnocen za předpokladu, že není aktivní přerušení od příjmu dat na sériové lince. To by patrně vyžadovalo vytvoření složitějšího stavového automatu, který by tento protokol obstarával. Pro každou další část by zřejmě bylo vhodné zajistit kvalitní propojovací kabeláž(stávající nebyla testována v reálném provozu, což znamená, že není zaručena odolnost proti již zmiňovanému rušení) a vhodné kryty dílčího hardware. Displej s řadičem a maticovou klávesnicí by v současné podobě nemohl být pravděpodobně použit, protože by v praxi došlo k jeho velmi rychlému zničení. To tedy znamená, že každou dílčí komponentu by bylo vhodné uzavřít do robustních krytek.
37
7 ZÁVĚR V úvodu práce, tzn. kapitole 2 je rozebrána základní teorie týkající se barevných modelů. Úkolem kapitoly je seznámení s problematikou záznamu dat barevné informace ve zvoleném modelu. Jsou uvedeny 3 rozdílné barevné modely. Jako první je uveden model RGB, který je jedním z nejpoužívanějších. Jeho barvy jsou červená, zelená a modrá. Tento model se využívá zejména v monitorech a projektorech a jeho princip využívá aditivního mísení barev. Dalším modelem je model CMYK. Jeho užívané barvy jsou azurová purpurová, žlutá a černá. Princip mísení tohoto modelu je subtraktivní. Tohoto principu se využívá v tiskových zařízeních. Jako poslední model je uveden model HSL, který je na rozdíl od předchozích orientovaný uživetalsky. Jeho základem jsou 3 složky a to barevný tón, sytost barvy a jas. Kapitola 3 se zabývá vlastním hardwarovým řešením měřicího systému. Rozebírá jednotlivé dílčí komponenty a důvody proč byly použity. Jedná se zejména o řidicí člen, tedy vývojový kit společnosti PK design s procesorem ATmega128, který disponuje vhodnými rozhraními (TWI, USART). Dále je rozebrán použitý RGB snímač ADJD-S371-QR999 z hlediska jeho technických specifikací → vlastní princip funkce, spektrální citlivost a také zapojení. Následuje propojení mezi RGB snímačem a mikrokontrolerem pomocí linky TWI tedy uvedení základního popisu. Jako další je uveden modul displeje s řadičem. Posledním bodem této kapitoly je jednotka USART. Kapitola 4, s názvem realizace měřicí části prezentuje jednotlivé již uvedené komponenty realizovaného měřicího zařízení z hlediska software. Kapitola se skládá z dílčích podkapitol, z nichž nejobsáhlejší je kapitola pojednávající o práci s linkou TWI realizovaného měřicího zařízení. Vlastní naprogramování této linky zabralo asi nejvíce času při vlastním řešení a proto je zde detailně rozebrána. Další důležitou podkapitolou je zejména kapitola 4.2 popisující modul displeje s řadičem. Rozebírá jednotlivé funkce a jejich vlastní praktické použití ve zdrojových kódech. Tato kapitola obsahuje také podkapitolu 4.4 která prezentuje zapojení snímače RGB v teoretické i praktické podobě. Poslední podkapitola je 4.5 názvem komunikace USART, jejímž úkolem bylo popsat funkce obstarávající funkce tohoto obvodu. Kapitola 5 popisuje funkci přístrojů jako celku, tedy již vlastního měřicího systému. Je zde vyobrazeno vlastní hardwarové řešení celé soustavy, v blokovém diagramu jsou zobrazeny jednotlivé způsoby komunikace dílčích komponent a je zde také blokově zakreslen 38
jeden pracovní cyklus vlastního měření. Na závěr kapitoly byl realizován postup způsobu kalibrace doby integrací a zesílení jednotlivých RGB složek měřicího zařízení a tím ovlivnění kvality konkrétních výstupů. Kapitola 6 hodnotí dosažené výsledky a rozebírá další možná rozšíření. Zejména řeší možnost rozšíření experimentálního pracoviště z hlediska vytvoření vhodného způsobu regulace a to regulací za použití stávajícího hardware mikrokontroleru, případně externí řešení v nadřazeném systému, kde by ke komunikaci sloužila buď stávající sériová linka, nebo by byla přidána další. V této kapitole je také diskuze o nutnosti užití vhodné měřicí komory k dosažení kvalitních výsledků měření. Je rozebrána i možnost užití světlovodu uvnitř měřicí komory. Poslední částí diskuze je o vhodném rozšíření nastavení kalibrací bez nutnosti použití vývojového prostředí. To tedy znamená rozšířit systém o ovládání za použití buď maticové klávesnice, nebo vytvořit vhodný protokol pro linku RS232. Bod zadání číslo 5 „Navrhněte a realizujte hardwarové řešení celé soustavy“ byl řešený v kapitole 3, kde byly vybrány vhodné komponenty k praktické realizaci experimentálního pracoviště. Tento bod zadání byl splněn → byl navržen, sestaven a oživen funkční prototyp měřicího systému. Bod zadání číslo 6 „Realizujte měřicí a popište regulační část soustavy výtlačného lisu“ byl řešený v kapitolách 4, 5 a 6. Kapitola 4 řeší vlastní měřicí část. V kapitole 5 je uveden popis vlastního experimentálního měřicího systému a poslední kapitola 6 diskutuje možnost vhodného rozšíření o regulační část měřicího systému. Tento bod byl splněn. Bod zadání číslo 7 „Vyhodnoťte výsledky měření na testovacích vzorcích kabeláže“ byl po řešený za použití laboratorních vzorků firmy Roscolux viz. kapitola 5.1 vzhledem k tomu, že tyto vzorky jsou kalibrované a mají tedy garantované vlastnosti. Lze tedy říci, že za předpokladu správné kalibrace pro tyto vzorky musí souhlasit i testovací kabeláž. Bod zadání byl splněn. Bod zadání číslo 8 „Zhodnoťte dosažené výsledky, uveďte výhody a nevýhody zvoleného řešení a navrhněte další možné úpravy“ byl řešený v podkapitole 5.1, kde jsou uváděny výsledky kalibračního měření. Dále v kapitole 6, kde je diskuje o možných rozšířeních vytvořeného experimentálního systému a celkové shrnutí výsledků celé práce je shrnuto zde v závěru. Bod zadání byl tedy také splněn.
39
Seznam použité literatury [1] SKALA, Václav. Světlo, barvy a barevné systémy v počítačové grafice. 1. vyd. Praha: Academia, 1993, 130 s. ISBN 80-200-0463-7. [2] RGB. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/RGB [3] CMYK. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/CMYK [4] HSV. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/HSL [5] MB-ATmega128 v3.0. In: Uživatelský manuál [online]. 2007 [cit. 2012-12-24]. Dostupné z: http://www.pk-design.net/Datasheets/Zakladova_deska_ATmega128_v30.pdf [6] ATmega128. United States, 2011. [7] ADJD-S371-QR999. United States, 2007. [8] I²C. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/I2C [9] AVR - USART. Programujte.com [online]. 2006 [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://programujte.com/clanek/2006111611-avr-usart/ [10] RS 232 Pinout. USconverters.com [online]. © 2006-2013 [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://www.usconverters.com/index.php?main_page=page&id=61&chapter=0 [11] The difference Between a Null and Straight Through Serial Cable. National Instruments [online]. © 2012 [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/1EE0DD8AF67922FA86256F720071DECF [12] AV02-0359EN. United States, 2007. [13] Optický světlovod High-power EXFO UV. PROFIBER,s.r.o. [online]. © 2010 [cit. 2013-05-18]. Dostupné z: http://www.profiber.eu/Opticky-svetlovod-High-power-EXFO-UV/
40
Seznam zkratek RGB → Red Green Blue; jedná se o barevný model CIE → Commission Internationale de L'eclairage; mezinárodní komise pro osvětlení CMYK → Cyan Magenta Yellow Karbon; jedná se o barevný model HSL → Hue Saturation Lightness; jedná se o barevný model I2C → Inter-Integrated Circuit; počítačová sériová sběrnice TWI → Two Wire Interface; Dvoužilové rozhraní RISC → Reduced Instruction Set Computing; označuje procesor s redukovanou instrukční sadou. ISP → In System Programming; umožňuje programování jednočipu v již kompletním obvodě, bez nutnosti jeho vyjmutí. JTAG → Join Test Action Group; jde o normovaný standard IEEE 1149.1. Primárním účelem JTAG bylo testování plošných spojů, ale lze ho použít i k programování procesorů. MCU → mikrokontroler. SRAM → Static Random Access Memory; označení statické paměti. RTC → Real Time Clock; označení pro hodiny reálného času. paměť FLASH → jde o elektronicky programovatelnou paměť s libovolným přístupem paměť EEPROM → Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; jde o elektricky mazatelnou paměť s omezeným počtem zápisů. Využívala se jako úložiště firmware. CCD → Charge-coupled device; součástka pro snímání obrazové informace CMOS → Complementary Metal–Oxide–Semiconductor; jedná se o výrobní technologii USART → Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter; jedná se o zařízení pro sériovou komunikaci v synchronním, nebo asynchronním režimu. SPI → Serial Peripheral Interface; jedná se o sériové periferní rozhraní. PWM → Pulse Width Modulation; jedná se o pulsně šířkovou modulaci. 41
Seznam obrázků Ilustrace 1: Aditivní míchání barev[2]..................................................................................................12 Ilustrace 2: 3D zobrazení RGB dat[2]...................................................................................................12 Ilustrace 3: Subtraktivní míchání barev[3]............................................................................................13 Ilustrace 4: Grafické zobrazení HSV(HSL) modelu[4].........................................................................14 Ilustrace 5: Základová deska MB-ATmega128 v3.0[5]........................................................................15 Ilustrace 6: Schéma vývodů mikrokontroleru ATmega128[6]..............................................................18 Ilustrace 7: Princip funkce RGB snímače ADJD-S371-QR999[7]........................................................19 Ilustrace 8: Spektrální citlivost (při totožné hodnotě gain(citlivost) pro všechny kanály)[7]................19 Ilustrace 9: Vlastní zapojení senzoru ADJD-S371-QR999[7]...............................................................20 Ilustrace 10: Osazení snímače na desce................................................................................................20 Ilustrace 11: Princip funkce I2C[8].......................................................................................................21 Ilustrace 12: Modul sedmisegmentového displeje(vlevo) a LCD displeje(pravo) s maticovou klávesnicí[5].........................................................................................................................................22 Ilustrace 13: RS232 popis pinů[10]......................................................................................................23 Ilustrace 14: Standardní sériový kabel typu F/F 9pinů..........................................................................24 Ilustrace 15: Mikrokontroler s LCD displejem.....................................................................................26 Ilustrace 16: Start/stop příkaz na lince TWI[7].....................................................................................27 Ilustrace 17: Přenos bitu po lince TWI[7].............................................................................................27 Ilustrace 18: Protokol zápisu do registru[7]..........................................................................................28 Ilustrace 19: Protokol čtení z registru[7]...............................................................................................28 Ilustrace 20: Seznam registrů vlastního RGB snímače[7].....................................................................28 Ilustrace 21: Teoretické zapojení RGB snímače...................................................................................29 Ilustrace 22: Hardwarová realizace zapojení za použití nepájivého pole..............................................29 Ilustrace 23: Řídicí jednotka s vyznačenými jumpery[5]......................................................................30 Ilustrace 24: Křížený sériový kabel[11]................................................................................................31 Ilustrace 25: Prototyp měřicího systému...............................................................................................32 Ilustrace 26: Komunikační rozhraní dílčích komponent.......................................................................32 Ilustrace 27: Pracovní cyklus měřicího systému...................................................................................33 Ilustrace 28: Optimalizační procedura[12]............................................................................................34 Ilustrace 29: Optický světlovod[13]......................................................................................................37
42
Seznam příloh Příloha č.1
43
Zdrojové kódy
