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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)： ①FPGA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。 ②FPGA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。 ③FPGA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后的實(shí)物圖。選取了有代表性的紅、綠、藍3種顏色，分別用相應顏色的發(fā)光二極管來(lái)代表。使顏色識別系統有充足的光線(xiàn)照射，便于探測。
色敏傳感器負責把不同顏色的光信號轉換成電流信號，但是電流信號只是幾十到幾百nA的數量級，需要放大電路來(lái)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的線(xiàn)路通道上，通過(guò)以下3級放大，把nA級的電流信號轉換成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(guò)放大的信號大致能達到幾十mV。這個(gè)幅度的電壓還太小，不能輸入到數字系統，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。 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(mǎn)足輸入數字系統的要求。 3．3 濾波模塊 經(jīng)過(guò)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(guò)查閱參考文獻和實(shí)際的實(shí)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 數字部分 本次設計的核心地方是數字部分，系統的搭建是基于A(yíng)ltera公司的NiosII處理器。 電壓信號經(jīng)過(guò)濾波處理，被傳送到A／D轉換器，經(jīng)過(guò)A／D轉換得到數字信號，為數字部分對信號的識別處理作準備。根據所選用的色敏傳感器的工作原理，用 SOPC系統進(jìn)行控制，對3路模擬電路信號進(jìn)行同步的A／D轉換以增強系統準確性。在保證可靠性和精度的前提下，為降低系統成本，滿(mǎn)足對輸入數字信號倍數的要求，A／D轉換器選用8位串行輸出的ADC0809轉換器。采用NiosII軟核搭建的FPGA系統處理數字信號，主要經(jīng)過(guò)以下操作： ①中值濾波，進(jìn)一步去除干擾信號； ②查對數表，查數據所對應的對數值； ③求對數比，對分別采集到的2個(gè)數據求對數比，為判斷是哪種顏色提供依據； ④顯示顏色識別結果，亮不同的燈來(lái)表明所識別出來(lái)的不同顏色。 4．1 硬件設計 在FPGA芯片上搭建一個(gè)NiosII處理器系統，包括可配置的NiosII CPU軟核、與CPU相連接的片內設備和存儲器，以及與片外設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(hù)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架構的CPU軟核。NiosII系統是在。NiosII處理器基礎上添加片上(FPGA)設備、存儲器以及片外設備和存儲器接口所組成的系統。Ni-osII具有明顯的優(yōu)勢： ①NiosII處理器具有靈活的外設配置和地址映射。由于NiosII處理器和片上設備及接口具有軟核特性，設計者可以為設計目標量身定做合適的 NiosII處理器系統，既可以增加CPU的功能，提高處理器的系統性能，也可以對不必要的處理器性能和外設進(jìn)行剪裁，以滿(mǎn)足低成本的小型系統設計。另外，訪(fǎng)問(wèn)存儲器和外設的軟件一般與地址分配無(wú)關(guān)。 ②NiosII系統可以自動(dòng)創(chuàng )建，Altera的SOPC Biulder設計工具使處理器的配置全自動(dòng)完成，能自動(dòng)產(chǎn)生并編程FPGA的硬件設計。系統的創(chuàng )建不需要設計者進(jìn)行任何的底層原理圖和硬件描述語(yǔ)言(HDL)設計。 ③NiosII處理器系統可以定制指令，從而增強系統的性能。 正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，本設計最終選用NiosII處理器系統來(lái)完成顏色信號的處理和識別。如圖4所示，NiosII處理器系統的片上系統包括NiosII CPU、片上RAM、定時(shí)器、ADC接口、Avalon總線(xiàn)、Avalon三態(tài)橋、PIO、JTAGUART等部分。另外，在片外擴展了Flash(用來(lái)存放程序和相應的數據)和SSRAM(相當于內存)。
具體器件的選擇如表2所列。
⑤比較計算值與預存顏色值，即可實(shí)現對各種顏色的識別；比較計算值與不同時(shí)間值，即可實(shí)現對顏色變化的識別。 在使用過(guò)程中，總有某些時(shí)刻系統處于非探測工作期。但此時(shí)系統還處于工作狀態(tài)，SOPC還會(huì )控制A／D轉換器進(jìn)行采樣，而SOPC本身也會(huì )對轉換后的數字信號進(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。相差幾十nm的入射光經(jīng)過(guò)放大后，其電信號的差值很大，經(jīng)A／D轉換后的數值會(huì )溢出或接近溢出。利用這一特性，設定一個(gè)上限值，如果數值比這個(gè)上限值大，則系統做出非探測工作期的判斷，程序重新開(kāi)始執行。 結語(yǔ) 隨著(zhù)新技術(shù)、新材料的不斷涌現，在現代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色識別系統的應用越來(lái)越多，也越來(lái)越復雜。以色敏傳感器為探測器，使用內嵌NiosII軟核處理器的FPGA作為運算、控制核心的顏色識別系統，具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便、擴展性強等優(yōu)點(diǎn)。利用FPGA快速強大的處理功能，能夠快速、準確地實(shí)現顏色的識別。利用現代信息融合技術(shù)，采用新型、高靈敏、響應快的色敏傳感器，一定能使顏色識別更加精確、更加可靠。 參考文獻 1. 季峰,陳炳若,王蒿.基于單片機的顏色識別系統[J].測控技術(shù),2004,23(4). 2. 李蘭英,等.NiosII嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006. 3. 王建校,危建國.SOPC設計基礎與實(shí)踐[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008. 4. 江國強.SOPC技術(shù)與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006. 5. 北京革新科技有限公司.創(chuàng )新開(kāi)發(fā)實(shí)驗平臺 EDA/SOPC實(shí)驗指導. 6. 何寧,李海寧.高亮度單色LED顏色識別系統的設計[J].廣西科學(xué)院學(xué)報,2005,21(3). 7. 林森,劉曉平,高鵬,等.基于FPGA的機器人圖像監視系統[J].電子技術(shù)應用,2007(3). 8. 時(shí)瑋,袁磊.基于鎖相環(huán)的顏色識別系統設計[J].機械工程與自動(dòng)化,2006(3). 作者：孫濤,耿立華,李子揚(北京交通大學(xué)) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統》 2009（8） |
