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1 概述 在當(dāng)今的社會(huì)生活中，顏色識(shí)別得到越來越廣泛的應(yīng)用。各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用需求使顏色識(shí)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(gè)行業(yè)更好地服務(wù)。目前，顏色識(shí)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(shí)現(xiàn)，而本設(shè)計(jì)選用FPGA來實(shí)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(dòng)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(diǎn)： ①FPGA芯片是并行運(yùn)算的，每個(gè)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(gè)振蕩周期。例如，單片機(jī)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，F(xiàn)PGA速度更快。 ②FPGA有豐富的I／O資源(一般有數(shù)百個(gè)I／O口)，容易實(shí)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(jì)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(jì)方法完全不同，從硬件和軟件整體設(shè)計(jì)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(jì)更輕松、可移植性更強(qiáng)。 2 設(shè)計(jì)原理 如圖1所示，顏色識(shí)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(hào)、放大信號(hào)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(hào)實(shí)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(jì)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(jié)，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(huì)被吸收。基于這種光譜的敏感性，根據(jù)光的波長來選擇信號(hào)(顏色)。使用2個(gè)光電二極管之間的對數(shù)電流比作為信號(hào)處理的方法。不同顏色的光照射時(shí)，該色敏傳感器紅、綠、藍(lán)區(qū)3個(gè)引腳都會(huì)輸出電流信號(hào)，但是相應(yīng)顏色的引腳輸出的電流信號(hào)會(huì)比其他引腳輸出的電流信號(hào)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(hào)。實(shí)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(shí)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，但是電流信號(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成V級的電壓信號(hào)。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(yùn)放選用高精度、低噪聲的高精密運(yùn)放OP177。經(jīng)過放大的信號(hào)大致能達(dá)到幾十mV。這個(gè)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(hào)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(yùn)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(yùn)放同樣選用OP07。輸出的信號(hào)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(hào)，因?yàn)橛性肼暤母蓴_，還有一些毛刺。經(jīng)過查閱參考文獻(xiàn)和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(hào)。 4 數(shù)字部分 本次設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)，為數(shù)字部分對信號(hào)的識(shí)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(hào)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(hào)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(hào)，主要經(jīng)過以下操作： ①中值濾波，進(jìn)一步去除干擾信號(hào)； 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(gè)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(shí)別結(jié)果，亮不同的燈來表明所識(shí)別出來的不同顏色。 4．1 硬件設(shè)計(jì) 在FPGA芯片上搭建一個(gè)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(chǔ)器，以及與片外設(shè)備和存儲(chǔ)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(chǔ)器以及片外設(shè)備和存儲(chǔ)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(jì)者可以為設(shè)計(jì)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(jì)。另外，訪問存儲(chǔ)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(dòng)創(chuàng)建，Altera的SOPC Biulder設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。系統(tǒng)的創(chuàng)建不需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行任何的底層原理圖和硬件描述語言(HDL)設(shè)計(jì)。 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(diǎn)，本設(shè)計(jì)最終選用NiosII處理器系統(tǒng)來完成顏色信號(hào)的處理和識(shí)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(shí)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(jì)算值與預(yù)存顏色值，即可實(shí)現(xiàn)對各種顏色的識(shí)別；比較計(jì)算值與不同時(shí)間值，即可實(shí)現(xiàn)對顏色變化的識(shí)別。 在使用過程中，總有某些時(shí)刻系統(tǒng)處于非探測工作期。但此時(shí)系統(tǒng)還處于工作狀態(tài)，SOPC還會(huì)控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，而SOPC本身也會(huì)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生有色差的警報(bào)。為了消除這種誤報(bào)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(hào)的差值很大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值會(huì)溢出或接近溢出。利用這一特性，設(shè)定一個(gè)上限值，如果數(shù)值比這個(gè)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(shí)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(yùn)算、控制核心的顏色識(shí)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(diǎn)。利用FPGA快速強(qiáng)大的處理功能，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)顏色的識(shí)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(shí)別更加精確、更加可靠。 參考文獻(xiàn) 1. 季峰,陳炳若,王蒿.基于單片機(jī)的顏色識(shí)別系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2004,23(4). 2. 李蘭英,等.NiosII嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008. 4. 江國強(qiáng).SOPC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006. 5. 北京革新科技有限公司.創(chuàng)新開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) EDA/SOPC實(shí)驗(yàn)指導(dǎo). 6. 何寧,李海寧.高亮度單色LED顏色識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào),2005,21(3). 7. 林森,劉曉平,高鵬,等.基于FPGA的機(jī)器人圖像監(jiān)視系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007(3). 8. 時(shí)瑋,袁磊.基于鎖相環(huán)的顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2006(3). 作者：孫濤,耿立華,李子揚(yáng)(北京交通大學(xué)) 來源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)》 2009（8） |
