基于FPGA與色敏傳感器的顏色識別系統(tǒng)

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(fā)展，結(jié)合其他技術，可為工業(yè)控制、產(chǎn)品制造等多個行業(yè)更好地服務。目前，顏色識別技術主要是通過結(jié)構簡單、使用方便的單片機來實現(xiàn)，而本設計選用FPGA來實現(xiàn)，該系統(tǒng)可應用于印染、油漆、汽車等行業(yè)，也可以裝在自動生產(chǎn)線上對產(chǎn)品的顏色進行監(jiān)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(zhí)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，F(xiàn)PGA速度更快。
②FPGA有豐富的I／O資源(一般有數(shù)百個I／O口)，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，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(tǒng)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(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、放大信號和濾除噪聲。數(shù)字部分主要用來對A／D采樣進來的數(shù)字信號實現(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(jié)，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(jù)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(shù)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(qū)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(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)過模擬部分處理后的輸出電壓信號。實際測試數(shù)據(jù)如表1所列。