三基色亮度計(jì)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

摘要：本文利用新型顏色傳感器 TCS230具有的濾光選擇功能，借助 MCU設(shè)計(jì)出了一種能夠同時(shí)測(cè)量白光中所含的三基色（紅、綠、藍(lán)）亮度的便攜式亮度計(jì)。另外該亮度計(jì)還提供計(jì)算機(jī)通信接口以及數(shù)據(jù)接收軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，并把處理后的數(shù)據(jù)數(shù)字化的顯示到 OLED屏上。該亮度計(jì)具有快速，精確，便捷的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種需要對(duì)光色成分進(jìn)行分析、測(cè)量的行業(yè)。

1引言

隨著 LED行業(yè)的快速發(fā)展，競爭的不斷加劇，LED品質(zhì)受到了前所未有的重視，尤其是在大屏幕顯示、LED照明光源等對(duì)顏色要求較高的場合，品質(zhì)控制的難度和重要性均顯得特別突出。因此，對(duì) LED性能的測(cè)試和*估逐漸被提上日程。通常 LED的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器是光譜分析儀，它能夠分析 LED發(fā)出光的顏色和亮度，但它體積龐大，價(jià)格昂貴，少則幾萬多則幾十萬，并非一個(gè)小型企業(yè)所能負(fù)擔(dān)的。

現(xiàn)有的亮度計(jì)，都是通過電流的強(qiáng)弱來標(biāo)定被測(cè)物的亮度大小。我國亮度計(jì)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的光亮度計(jì)通常無顏色選擇功能，如果需要測(cè)量某種顏色的光（常指三基色紅、綠、藍(lán)）的光強(qiáng)，通常要在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍(lán)濾光片，然后對(duì)輸出的模擬信號(hào)加一個(gè) A/D電路進(jìn)行采樣，再對(duì)該采樣信號(hào)進(jìn)一步處理，才能進(jìn)行識(shí)別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識(shí)別誤差，影響了識(shí)別的效果。在遇到同時(shí)需要對(duì)多種顏色光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的場合，工作量將會(huì)成倍的增加，其煩瑣性是顯而易見的，同時(shí)，也增大了測(cè)量結(jié)果的誤差。

為了克服傳統(tǒng)亮度計(jì)無法檢測(cè)被測(cè)光源所包含的單色光光強(qiáng)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)測(cè)量白光中所含的三基色（紅、綠、藍(lán)）亮度的亮度計(jì)，用來分析測(cè)量光中的顏色成分和亮度，同時(shí)把檢測(cè)結(jié)果數(shù)字化的顯示到 OLED屏上。這樣在測(cè)量 LED大屏幕顯示器的時(shí)候只要把紅綠藍(lán)三種顏色的 LED發(fā)光二極管都點(diǎn)亮（即白色），就可直接分析出其中的顏色成分和亮度大小，并省去了大量的記錄工作。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與原理

三基色亮度計(jì)主要由五部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、MCU控制模塊、OLED顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、鍵盤輸入模塊。系統(tǒng)的基本工作原理為：通過鍵盤選擇顏色并設(shè)定參數(shù)，控制單片機(jī)來向傳感器發(fā)送指令，當(dāng)傳感器接收到光信號(hào)后，輸出頻率會(huì)隨之發(fā)生變化，單片機(jī)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐袛?、?jì)算和處理，然后數(shù)字化的顯示到 OLED屏上。系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)的采集用的是美國 TAOS公司生產(chǎn)的顏色傳感器TCS230，它是業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的 RGB彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器。TCS230輸出為占空比50％的方波，且輸出頻率與光強(qiáng)成線性關(guān)系。該轉(zhuǎn)換器輸出頻率范圍為2—500kHz，且可通過 2個(gè)可編程引腳來選擇2％ 、20％ 、或100％的輸出比例因子。TCS230的輸入、輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接。
 

圖2是TCS230的引腳封裝和功能框圖，從功能框圖可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出的是占空比為50%的方波，不同顏色和光強(qiáng)的光所對(duì)應(yīng)輸出的方波頻率也是不一樣的。還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子， 對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。SO、S1及S2、S3的可用組合如圖3所示。

下面簡要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可以作為片選信號(hào)；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。

2．2 MCU控制模塊

MCU采用的是 Cygnal公司的單片機(jī)C8051F023。它是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)（SOC），具有與 MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器。 C8051F023具有高速、非侵入方式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、8通道 ADC、帶 PGA和模擬多路開關(guān)、在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器、5個(gè)通用的 16位定時(shí)器、 5個(gè)可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列等特性。該模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、傳輸以及鍵盤指令的響應(yīng)，它的核心部分是單片機(jī)對(duì)傳感器的控制。C8051F023與 TCS230的連接，如圖 4所示。

將 TCS230的 S0以及 S1兩個(gè)引腳全部與電源相連，這樣連接將會(huì)使顏色傳感器輸出占空比50%，頻率值為100%的方波。這樣給最終調(diào)試時(shí)帶來了方便，在不同設(shè)計(jì)要求時(shí)只需要簡單的調(diào)節(jié)接線就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。TCS230的 S2和 S3這兩個(gè)引腳為光電二極管類型選擇的引腳，現(xiàn)與 C8051F023單片機(jī)的 P0.0 、P0.1相連。單片機(jī)就是通過這兩個(gè)引腳對(duì)傳感器進(jìn)行選擇控制，而對(duì)傳感信號(hào)的接收則是通過 P0.4與 TCS230的 OUT引腳來連接實(shí)現(xiàn)的。TCS230的反應(yīng)速度快，達(dá)到 10 μs，同時(shí)通過對(duì)S2、S3的控制來改變?yōu)V波器類型，可方便的選擇顏色，并且輸出可以為二路數(shù)字信號(hào)，具有較強(qiáng)的干擾能力。

2．3 OLED顯示模塊 采用的是 128×64行點(diǎn)陣的 OLED單色、字符、圖形顯示模塊VGS12864E。模塊內(nèi)藏64×64顯示數(shù)據(jù)RAM，其中每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于 OLED上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)；其接口電路和操作指令簡單，具有 8位并行數(shù)據(jù)接口，可直接與 8位微處理器相連。

2．4 數(shù)據(jù)通信模塊和健盤輸入模塊

用 MAX232來完成 TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)亮度計(jì)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過鍵盤輸入模塊，可以非常方便的改變對(duì)顏色的選擇。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。軟件采用C語言編程，主要完成對(duì)硬件的控制以及對(duì)采集數(shù)據(jù)再現(xiàn)等功能。單片機(jī)控制程序主要由4部分組成：數(shù)據(jù)采集、鍵盤響應(yīng)、菜單顯示、數(shù)據(jù)通信。程序的開始首先要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，這是必要的步驟。單片機(jī)初始化程序包括關(guān)閉看門狗、時(shí)鐘初始化、端口初始化，交叉開關(guān)寄存器初始化，以及定時(shí)器和中斷等的初始化。初始化完成后，如需要顏色識(shí)別，就進(jìn)行具體顏色選擇，保存設(shè)置，采集數(shù)據(jù)，完成顏色的識(shí)別。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意一些問題。首先，在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮白平衡問題，所謂白平衡，就像是天平在使用前的調(diào)零一樣，也就是用戶所指定顏色的外界白光。因?yàn)橐来税坠鉃榛鶞?zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法可以計(jì)算并調(diào)整參數(shù)。一是依次選通三種顏色的濾波器，然后對(duì) TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到 255時(shí)停止計(jì)數(shù)，并分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間就是對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí) TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。二是設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，并計(jì)算這段時(shí)間內(nèi) TCS230的輸出脈沖數(shù)。這樣便可計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。然后在實(shí)際測(cè)試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測(cè)得的脈沖數(shù)再乘以該比例因子，這樣就可以得到所對(duì)應(yīng)的R、G和 B的值。

4結(jié)束語

利用本文介紹的基于 TCS230設(shè)計(jì)出的三基色亮度計(jì)，只需一次測(cè)量即可完成對(duì) LED顯示管的紅、綠、藍(lán)及白光的顏色和亮度的測(cè)量，大大提高了測(cè)量效率，同時(shí)還具有成本低，精度高，功能全等特點(diǎn)。因?yàn)椴恍枰硗馓砑訛V光片，這在對(duì)三基色光強(qiáng)要求較多的顯示領(lǐng)域，如 LED大屏幕顯示器的一致化校正，液晶顯示器測(cè)試等等有著廣闊的應(yīng)用前景。本文創(chuàng)新點(diǎn)：傳統(tǒng)亮度計(jì)只能測(cè)量其感光器件所接收的光強(qiáng)，如不使用濾光設(shè)備，則無法檢測(cè)被測(cè)光源所包含的單色光光強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)測(cè)量白光中所含的三基色（紅、綠、藍(lán)）亮度的亮度計(jì)，用來分析測(cè)量光中的顏色成分和亮度，同時(shí)把檢測(cè)結(jié)果數(shù)字化的顯示到 OLED屏上，具有成本低，精度高，功能全等特點(diǎn)。