基于FPGA與色敏傳感器的顏色識別系統1

1 概 述

　　在當今的社會(huì )生活中，顏色識別得到越來(lái)越廣泛的應用。各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用需求使顏色識別技術(shù)有了長(cháng)足的發(fā)展，結合其他技術(shù)，可為工業(yè)控制、產(chǎn)品制造等多個(gè)行業(yè)更好地服務(wù)。目前，顏色識別技術(shù)主要是通過(guò)結構簡(jiǎn)單、使用方便的單片機來(lái)實(shí)現，而本設計選用FPGA來(lái)實(shí)現，該系統可應用于印染、油漆、汽車(chē)等行業(yè)，也可以裝在自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上對產(chǎn)品的顏色進(jìn)行監測。這樣選擇的好處有以下幾點(diǎn)：

　?、?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA芯片是并行運算的，每個(gè)振蕩周期都可以執行任務(wù)，而單片機(如8051系列)的每條指令都需要12個(gè)振蕩周期。例如，單片機I／O端口的變化最快也需要24個(gè)振蕩周期，而FPGA只需要2個(gè)振蕩周期，所以同樣的振蕩周期下，FPGA速度更快。

　?、贔PGA有豐富的I／O資源(一般有數百個(gè)I／O口)，容易實(shí)現大規模系統，可以方便地連接外設(比如多路A／D、D／A等)。而單片機的I／O口有限，要進(jìn)行仔細的資源分配、總線(xiàn)隔離。

　?、跢PGA可以進(jìn)行硬件重構，在功能擴展或性能改善方面也非常容易。

　　本設計選用了Altera公司的：NioslI軟核，使用SOPC的軟硬件綜合解決方案。與傳統的設計方法完全不同，從硬件和軟件整體設計上進(jìn)行了極大的改進(jìn)，使硬件電路更加簡(jiǎn)單、有效、易于理解，軟件設計更輕松、可移植性更強。

　　2 設計原理

　　如圖1所示，顏色識別系統主要由模擬和數字兩部分組成。模擬部分主要用來(lái)轉換光電信號、放大信號和濾除噪聲。數字部分主要用來(lái)對A／D采樣進(jìn)來(lái)的數字信號實(shí)現中值濾波、查對數表、求對數比，以及顯示等操作。

　　3 模擬部分

　　3．1 顏色采集模塊

　　本設計中采用的色敏傳感器是CLS9032。該傳感器有2個(gè)垂直連接的PN結，其厚度可以給色敏傳感器起到一個(gè)光學(xué)濾波器的作用。波長(cháng)較短的光在硅的表面就被吸收了，而波長(cháng)較長(cháng)的光到達深一些的位置才會(huì )被吸收?；谶@種光譜的敏感性，根據光的波長(cháng)來(lái)選擇信號(顏色)。使用2個(gè)光電二極管之間的對數電流比作為信號處理的方法。不同顏色的光照射時(shí)，該色敏傳感器紅、綠、藍區3個(gè)引腳都會(huì )輸出電流信號，但是相應顏色的引腳輸出的電流信號會(huì )比其他引腳輸出的電流信號強。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3種顏色的光源直接照射，檢測經(jīng)過(guò)模擬部分處理后的輸出電壓信號。實(shí)際測試數據如表1所列。

　　3．2 放大模塊

　　圖2是模擬部分制成PCB后的