基于FPGA與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)

1 概 述
    在當(dāng)今的社會生活中，顏色識別得到越來越廣泛的應(yīng)用。各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求使顏色識別技術(shù)有了長足的發(fā)展，結(jié)合其他技術(shù)，可為工業(yè)控制、產(chǎn)品制造等多個行業(yè)更好地服務(wù)。目前，顏色識別技術(shù)主要是通過結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的單片機(jī)來實現(xiàn)，而本設(shè)計選用FPGA來實現(xiàn)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于印染、油漆、汽車等行業(yè)，也可以裝在自動生產(chǎn)線上對產(chǎn)品的顏色進(jìn)行監(jiān)測。這樣選擇的好處有以下幾點：
    ①FPGA芯片是并行運算的，每個振蕩周期都可以執(zhí)行任務(wù)，而單片機(jī)(如8051系列)的每條指令都需要12個振蕩周期。例如，單片機(jī)I／O端口的變化最快也需要24個振蕩周期，而FPGA只需要2個振蕩周期，所以同樣的振蕩周期下，F(xiàn)PGA速度更快。
    ②FPGA有豐富的I／O資源(一般有數(shù)百個I／O口)，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，可以方便地連接外設(shè)(比如多路A／D、D／A等)。而單片機(jī)的I／O口有限，要進(jìn)行仔細(xì)的資源分配、總線隔離。
    ③FPGA可以進(jìn)行硬件重構(gòu)，在功能擴(kuò)展或性能改善方面也非常容易。
    本設(shè)計選用了Altera公司的：NioslI軟核，使用SOPC的軟硬件綜合解決方案。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法完全不同，從硬件和軟件整體設(shè)計上進(jìn)行了極大的改進(jìn)，使硬件電路更加簡單、有效、易于理解，軟件設(shè)計更輕松、可移植性更強(qiáng)。

2 設(shè)計原理
    如圖1所示，顏色識別系統(tǒng)主要由模擬和數(shù)字兩部分組成。模擬部分主要用來轉(zhuǎn)換光電信號、放大信號和濾除噪聲。數(shù)字部分主要用來對A／D采樣進(jìn)來的數(shù)字信號實現(xiàn)中值濾波、查對數(shù)表、求對數(shù)比，以及顯示等操作。

3 模擬部分
3．1 顏色采集模塊
    本設(shè)計中采用的色敏傳感器是CLS9032。該傳感器有2個垂直連接的PN結(jié)，其厚度可以給色敏傳感器起到一個光學(xué)濾波器的作用。波長較短的光在硅的表面就被吸收了，而波長較長的光到達(dá)深一些的位置才會被吸收?；谶@種光譜的敏感性，根據(jù)光的波長來選擇信號(顏色)。使用2個光電二極管之間的對數(shù)電流比作為信號處理的方法。不同顏色的光照射時，該色敏傳感器紅、綠、藍(lán)區(qū)3個引腳都會輸出電流信號，但是相應(yīng)顏色的引腳輸出的電流信號會比其他引腳輸出的電流信號強(qiáng)。利用這種原理能夠有效地避免外界環(huán)境造成的輸出電流的起伏，因此這種器件具有較高的可靠性。
    在距離色敏傳感器1．5 cm處，分別用紅、綠、藍(lán)3種顏色的光源直接照射，檢測經(jīng)過模擬部分處理后的輸出電壓信號。實際測試數(shù)據(jù)如表1所列。

3．2 放大模塊
    圖2是模擬部分制成PCB后的實物圖。選取了有代表性的紅、綠、藍(lán)3種顏色，分別用相應(yīng)顏色的發(fā)光二極管來代表。使顏色識別系統(tǒng)有充足的光線照射，便于探測。

    色敏傳感器負(fù)責(zé)把不同顏色的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，但是電流信號只是幾十到幾百nA的數(shù)量級，需要放大電路來放大到所需要的程度。不同顏色產(chǎn)生的微弱電流信號傳送到對應(yīng)的線路通道上，通過以下3級放大，把nA級的電流信號轉(zhuǎn)換成V級的電壓信號。具體電路如圖3所示。

    ①第1級是在電流放大的模式下工作，運放選用高精度、低噪聲的高精密運放OP177。經(jīng)過放大的信號大致能達(dá)到幾十mV。這個幅度的電壓還太小，不能輸入到數(shù)字系統(tǒng)，因此還要對電壓信號進(jìn)行進(jìn)一步的放大。
    ②第2級放大為同相的電壓放大，選用高精度的集成運放OP07。放大后的電壓幅度大致為幾百mV，且放大的輸出為負(fù)。
    ③第3級放大要采用反相的電壓放大，運放同樣選用OP07。輸出的信號幅度為幾伏，能夠滿足輸入數(shù)字系統(tǒng)的要求。
3．3 濾波模塊
    經(jīng)過放大后的直流信號，因為有噪聲的干擾，還有一些毛刺。經(jīng)過查閱參考文獻(xiàn)和實際的實驗測試，最終采用20 Hz二階有源低通濾波器，可以為后面的級聯(lián)使用提供干凈的信號。

4 數(shù)字部分
    本次設(shè)計的核心地方是數(shù)字部分，系統(tǒng)的搭建是基于Altera公司的NiosII處理器。
    電壓信號經(jīng)過濾波處理，被傳送到A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，為數(shù)字部分對信號的識別處理作準(zhǔn)備。根據(jù)所選用的色敏傳感器的工作原理，用 SOPC系統(tǒng)進(jìn)行控制，對3路模擬電路信號進(jìn)行同步的A／D轉(zhuǎn)換以增強(qiáng)系統(tǒng)準(zhǔn)確性。在保證可靠性和精度的前提下，為降低系統(tǒng)成本，滿足對輸入數(shù)字信號倍數(shù)的要求，A／D轉(zhuǎn)換器選用8位串行輸出的ADC0809轉(zhuǎn)換器。采用NiosII軟核搭建的FPGA系統(tǒng)處理數(shù)字信號，主要經(jīng)過以下操作：
    ①中值濾波，進(jìn)一步去除干擾信號；
    ②查對數(shù)表，查數(shù)據(jù)所對應(yīng)的對數(shù)值；
    ③求對數(shù)比，對分別采集到的2個數(shù)據(jù)求對數(shù)比，為判斷是哪種顏色提供依據(jù)；
    ④顯示顏色識別結(jié)果，亮不同的燈來表明所識別出來的不同顏色。
4．1 硬件設(shè)計
    在FPGA芯片上搭建一個NiosII處理器系統(tǒng)，包括可配置的NiosII CPU軟核、與CPU相連接的片內(nèi)設(shè)備和存儲器，以及與片外設(shè)備和存儲器相連的接口等。
    NiosII處理器是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RISC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架構(gòu)的CPU軟核。NiosII系統(tǒng)是在。NiosII處理器基礎(chǔ)上添加片上(FPGA)設(shè)備、存儲器以及片外設(shè)備和存儲器接口所組成的系統(tǒng)。Ni-osII具有明顯的優(yōu)勢：
    ①NiosII處理器具有靈活的外設(shè)配置和地址映射。由于NiosII處理器和片上設(shè)備及接口具有軟核特性，設(shè)計者可以為設(shè)計目標(biāo)量身定做合適的 NiosII處理器系統(tǒng)，既可以增加CPU的功能，提高處理器的系統(tǒng)性能，也可以對不必要的處理器性能和外設(shè)進(jìn)行剪裁，以滿足低成本的小型系統(tǒng)設(shè)計。另外，訪問存儲器和外設(shè)的軟件一般與地址分配無關(guān)。
    ②NiosII系統(tǒng)可以自動創(chuàng)建，Altera的SOPC Biulder設(shè)計工具使處理器的配置全自動完成，能自動產(chǎn)生并編程FPGA的硬件設(shè)計。系統(tǒng)的創(chuàng)建不需要設(shè)計者進(jìn)行任何的底層原理圖和硬件描述語言(HDL)設(shè)計。
    ③NiosII處理器系統(tǒng)可以定制指令，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。
    正是基于這些優(yōu)點，本設(shè)計最終選用NiosII處理器系統(tǒng)來完成顏色信號的處理和識別。如圖4所示，NiosII處理器系統(tǒng)的片上系統(tǒng)包括NiosII CPU、片上RAM、定時器、ADC接口、Avalon總線、Avalon三態(tài)橋、PIO、JTAGUART等部分。另外，在片外擴(kuò)展了Flash(用來存放程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù))和SSRAM(相當(dāng)于內(nèi)存)。

    具體器件的選擇如表2所列。

    ⑤比較計算值與預(yù)存顏色值，即可實現(xiàn)對各種顏色的識別；比較計算值與不同時間值，即可實現(xiàn)對顏色變化的識別。
    在使用過程中，總有某些時刻系統(tǒng)處于非探測工作期。但此時系統(tǒng)還處于工作狀態(tài)，SOPC還會控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，而SOPC本身也會對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，并產(chǎn)生有色差的警報。為了消除這種誤報警，需控制放大器的放大倍數(shù)。相差幾十nm的入射光經(jīng)過放大后，其電信號的差值很大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值會溢出或接近溢出。利用這一特性，設(shè)定一個上限值，如果數(shù)值比這個上限值大，則系統(tǒng)做出非探測工作期的判斷，程序重新開始執(zhí)行。

結(jié) 語
    隨著新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色識別系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，也越來越復(fù)雜。以色敏傳感器為探測器，使用內(nèi)嵌NiosII軟核處理器的FPGA作為運算、控制核心的顏色識別系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。利用FPGA快速強(qiáng)大的處理功能，能夠快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)顏色的識別。利用現(xiàn)代信息融合技術(shù)，采用新型、高靈敏、響應(yīng)快的色敏傳感器，一定能使顏色識別更加精確、更加可靠。