摘要：TCS230是美國TAOS公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。論文主要介紹它的原理和應(yīng)用。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標、單電源供電等特點；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。文中還介紹色光和白平衡的知識，并用一個實例來介紹TCS230識別顏色的過程。 引言 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展，生產(chǎn)過程中長期以來由人眼起主導(dǎo)作用的顏色識別工作將越來越多地被相應(yīng)的顏色傳感器所替代。例如：圖書館使用顏色區(qū)分對文獻進行分類，能夠極大地提高排架管理和統(tǒng)計等工作；在包裝行業(yè)，產(chǎn)品包裝利用不同的顏色或裝磺來表示其不同的性質(zhì)或用途。目前的顏色傳感器通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、籃濾光片，然后對輸出信號進行相應(yīng)的處理，才能將顏色信號識別出來；有的將兩者集合起來，但是輸出模擬信號，需要一個A/D電路進行采樣，對該信號進一步處理，才能進行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。本文介紹美國TAOS公司最新推出的顏色傳感器TCS230。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顏色的識別與檢測，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優(yōu)良的新特性。 1、TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點 TCS230是TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上還集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。圖1是TCS230的引腳封裝和功能框圖。 圖1中，TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器，16個光電二極管帶有綠色濾波器，16個光電二極管帶有藍色濾波器，其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz～500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計數(shù)器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻率和計數(shù)器相匹配。 從功能框圖可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時，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)換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50%），不同的顏色和光強對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。 下面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。 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)有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可以作為片選信號；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。圖2是S0、S1及S2、S3的可用組合。 2、TCS230識別顏色的原理 由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器適合于色度計測量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計算機彩色監(jiān)視器校準以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。本文以TCS230在液體顏色識別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。在開始介紹TCS230的顏色識別前，先來了解一些光與顏色的知識。 2.1 三原色的感應(yīng)原理 通常所看到的物體的顏色，實際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應(yīng)。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構(gòu)成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、紫P）。根據(jù)德國物理學(xué)家赫姆霍茲（Helinholtz）的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色（紅、綠、藍）混合而成的。 2.2 TCS230識別顏色的原理 由上面的三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS230來說，當(dāng)選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其它原色的通過。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強；同理，選擇其它的濾波器，就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。 2.3 白平衡和顏色識別原理 白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的；但實際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于TCS230的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進行白平衡調(diào)整，使得TCS230對所檢測的“白色”中的三原色是相等的。進行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識別作準備。在本裝置中，白平衡調(diào)整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230上；根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍色的值，然后就可計算出需要的三個調(diào)整參數(shù)。 當(dāng)用TCS230識別顏色時，就用這三個參數(shù)對所測顏色的R、G和B進行調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù)：①依次選通三種顏色的濾波器，然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應(yīng)于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應(yīng)的R、G和B的值。②設(shè)置定時器為一固定時間（例如10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實際測試時，使用同樣的時間進行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的R、G和B的值。 3、TCS230的應(yīng)用 3.1 顏色識別電路 基于上述分析，采用89C51和TCS230設(shè)計了一個醫(yī)用液體顏色識別裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、識別精度和效率高的特點，并且能夠和上位機通信，以將識別的結(jié)果實時傳送給上位機。由于是說明TCS230的使用情況，下面僅給出其中的TCS230識別電路，如圖3所示。圖3中用89C51的P1口的幾個引腳來控制TCS230的各個控制引腳，而TCS230的輸出引腳被連接到89C51的定時器/計數(shù)器1的輸入端（P3.5）。設(shè)置89C51定時器/計數(shù)器為相應(yīng)的工作方式，初始化89C51定時器為一個定值，再選擇TCS230的輸出比例因子，并使能輸出引腳。實際使用中通過讀取89C51計數(shù)器的值，就可以分別計算出TCS230的三種輸出頻率，進而確定R、G、B值及顏色。 現(xiàn)結(jié)合上述分析給出相應(yīng)的軟件流程，如圖4所示。 在程序流程中：系統(tǒng)初始化負責(zé)設(shè)置89C51的定時器/計數(shù)器的工作方式，選擇TCS230的輸出比例因子，使能輸出引腳以及通信參數(shù)的設(shè)置。初始化完成后，檢測是否需要進行白平衡調(diào)整。如有，調(diào)用白平衡子程序；否則，轉(zhuǎn)到下一步，檢測是否需要進行顏色識別。如沒有，返回；如需要顏色識別，調(diào)用顏色識別子程序，直到顏色識別完畢。 4、應(yīng)用中需要注意的問題 ① 顏色識別時要避免外界光線的干擾，否則會影響顏色識別的結(jié)果，最好把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中進行測試； ② 對光源沒有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則會造成傳感器之間的相互干擾； ③ 當(dāng)?shù)谝淮问褂肨CS230時，或TCS230識別模塊重啟、更換光源等情況時，都需要進行白平衡調(diào)整。 結(jié)語 文章從TCS230的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，介紹了色光理論和顏色識別的知識，還介紹了白平衡的原理和進行調(diào)整的方法。結(jié)合一個具體的應(yīng)用，給出了相應(yīng)的硬件設(shè)計電路和軟件流程圖。該傳感器和文中介紹的方法對進行其它的顏色識別，也有很大的幫助。