發布日期：2022-07-14 點擊率：73
1 概 述
在當今的社會生活中，顏色識別得到越來越廣泛的應用。各個領域的廣泛應用需求使顏色識別技術有了長足的發展，結合其他技術，可為工業控制、產品制造等多個行業更好地服務。目前，顏色識別技術主要是通過結構簡單、使用方便的單片機來實現，而本設計選用FPGA來實現，該系統可應用于印染、油漆、汽車等行業，也可以裝在自動生產線上對產品的顏色進行監測。這樣選擇的好處有以下幾點：
①FPGA芯片是并行運算的，每個振蕩周期都可以執行任務，而單片機(如8051系列)的每條指令都需要12個振蕩周期。例如，單片機I／O端口的變化最快也需要24個振蕩周期，而FPGA只需要2個振蕩周期，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I／O口)，容易實現大規模系統，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，要進行仔細的資源分配、總線隔離。
③FPGA可以進行硬件重構，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行了極大的改進，使硬件電路更加簡單、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。模擬部分主要用來轉換光電信號、放大信號和濾除噪聲。數字部分主要用來對A／D采樣進來的數字信號實現中值濾波、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個垂直連接的PN結，其厚度可以給色敏傳感器起到一個光學濾波器的作用。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深一些的位置才會被吸收。基于這種光譜的敏感性，根據光的波長來選擇信號(顏色)。使用2個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，該色敏傳感器紅、綠、藍區3個引腳都會輸出電流信號，但是相應顏色的引腳輸出的電流信號會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，檢測經過模擬部分處理后的輸出電壓信號。實際測試數據如表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光二極管來代表。使顏色識別系統有充足的光線照射，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，需要放大電路來放大到所需要的程度。不同顏色產生的微弱電流信號傳送到對應的線路通道上，通過以下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。經過放大的信號大致能達到幾十mV。這個幅度的電壓還太小，不能輸入到數字系統，因此還要對電壓信號進行進一步的放大。
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，能夠滿足輸入數字系統的要求。
3．3 濾波模塊
經過放大后的直流信號，因為有噪聲的干擾，還有一些毛刺。經過查閱參考文獻和實際的實驗測試，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Altera公司的NiosII處理器。
電壓信號經過濾波處理，被傳送到A／D轉換器，經過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系統進行控制，對3路模擬電路信號進行同步的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，主要經過以下操作：
①中值濾波，進一步去除干擾信號；
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，亮不同的燈來表明所識別出來的不同顏色。
4．1 硬件設計
在FPGA芯片上搭建一個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行剪裁，以滿足低成本的小型系統設計。另外，訪問存儲器和外設的軟件一般與地址分配無關。
②NiosII系統可以自動創建，Altera的SOPC Biulder設計工具使處理器的配置全自動完成，能自動產生并編程FPGA的硬件設計。系統的創建不需要設計者進行任何的底層原理圖和硬件描述語言(HDL)設計。
③NiosII處理器系統可以定制指令，從而增強系統的性能。
正是基于這些優點，本設計最終選用NiosII處理器系統來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、定時器、ADC接口、Avalon總線、Avalon三態橋、PIO、JTAGUART等部分。另外，在片外擴展了Flash(用來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，即可實現對各種顏色的識別；比較計算值與不同時間值，即可實現對顏色變化的識別。
在使用過程中，總有某些時刻系統處于非探測工作期。但此時系統還處于工作狀態，SOPC還會控制A／D轉換器進行采樣，而SOPC本身也會對轉換后的數字信號進行處理，并產生有色差的警報。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的入射光經過放大后，其電信號的差值很大，經A／D轉換后的數值會溢出或接近溢出。利用這一特性，設定一個上限值，如果數值比這個上限值大，則系統做出非探測工作期的判斷，程序重新開始執行。
結 語
隨著新技術、新材料的不斷涌現，在現代化工業生產中，顏色識別系統的應用越來越多，也越來越復雜。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，具有結構簡單、可靠性高、使用方便、擴展性強等優點。利用FPGA快速強大的處理功能，能夠快速、準確地實現顏色的識別。利用現代信息融合技術，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。
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