基于fpga与色敏传感器的颜色识别系统

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1、基于FPGA与色敏传感器的颜色识别系统1概述　　在当今的社会生活中，颜色识别得到越来越广泛的应用。各个领域的广泛应用需求使颜色识别技术有了长足的发展，结合其他技术，可为工业控制、产品制造等多个行业更好地服务。目前，颜色识别技术主要是通过结构简单、使用方便的单片机来实现，而本设计选用FPGA来实现，该系统可应用于印染、油漆、汽车等行业，也可以装在自动生产线上对产品的颜色进行监测。这样选择的好处有以下几点：　　①FPGA芯片是并行运算的，每个振荡周期都可以执行任务，而单片机(如8051系列)的每条指令都需要12个振荡周期。例如，单片机I／O端口的变化最快也需要24个振荡周期，而FP

2、GA只需要2个振荡周期，所以同样的振荡周期下，FPGA速度更快。　　②FPGA有丰富的I／O资源(一般有数百个I／O口)，容易实现大规模系统，可以方便地连接外设(比如多路A／D、D／A等)。而单片机的I／O口有限，要进行仔细的资源分配、总线隔离。　　③FPGA可以进行硬件重构，在功能扩展或性能改善方面也非常容易。　　本设计选用了Altera公司的：NioslI软核，使用SOPC的软硬件综合解决方案。与传统的设计方法完全不同，从硬件和软件整体设计上进行了极大的改进，使硬件电路更加简单、有效、易于理解，软件设计更轻松、可移植性更强。　　2设计原理　　如图1所示，颜色识别系统主要由模

3、拟和数字两部分组成。模拟部分主要用来转换光电信号、放大信号和滤除噪声。数字部分主要用来对A／D采样进来的数字信号实现中值滤波、查对数表、求对数比，以及显示等操作。　　3模拟部分　　3．1颜色采集模块　　　本设计中采用的色敏传感器是CLS9032。该传感器有2个垂直连接的PN结，其厚度可以给色敏传感器起到一个光学滤波器的作用。波长较短的光在硅的表面就被吸收了，而波长较长的光到达深一些的位置才会被吸收。基于这种光谱的敏感性，根据光的波长来选择信号(颜色)。使用2个光电二极管之间的对数电流比作为信号处理的方法。不同颜色的光照射时，该色敏传感器红、绿、蓝区3个引脚都会输出电流信号，但是

4、相应颜色的引脚输出的电流信号会比其他引脚输出的电流信号强。利用这种原理能够有效地避免外界环境造成的输出电流的起伏，因此这种器件具有较高的可靠性。　　在距离色敏传感器1．5cm处，分别用红、绿、蓝3种颜色的光源直接照射，检测经过模拟部分处理后的输出电压信号。实际测试数据如表1所列。　　3．2放大模块　　图2是模拟部分制成PCB后的实物图。选取了有代表性的红、绿、蓝3种颜色，分别用相应颜色的发光二极管来代表。使颜色识别系统有充足的光线照射，便于探测。　　色敏传感器负责把不同颜色的光信号转换成电流信号，但是电流信号只是几十到几百nA的数量级，需要放大电路来放大到所需要的程度。不同颜色

5、产生的微弱电流信号传送到对应的线路通道上，通过以下3级放大，把nA级的电流信号转换成V级的电压信号。具体电路如图3所示。　　①第1级是在电流放大的模式下工作，运放选用高精度、低噪声的高精密运放OP177。经过放大的信号大致能达到几十mV。这个幅度的电压还太小，不能输入到数字系统，因此还要对电压信号进行进一步的放大。　　②第2级放大为同相的电压放大，选用高精度的集成运放OP07。放大后的电压幅度大致为几百mV，且放大的输出为负。　　③第3级放大要采用反相的电压放大，运放同样选用OP07。输出的信号幅度为几伏，能够满足输入数字系统的要求。　　3．3滤波模块　　经过放大后的直流信号，

6、因为有噪声的干扰，还有一些毛刺。经过查阅参考文献和实际的实验测试，最终采用20Hz二阶有源低通滤波器，可以为后面的级联使用提供干净的信号。　　4数字部分　　本次设计的核心地方是数字部分，系统的搭建是基于Altera公司的NiosII处理器。　　电压信号经过滤波处理，被传送到A／D转换器，经过A／D转换得到数字信号，为数字部分对信号的识别处理作准备。根据所选用的色敏传感器的工作原理，用SOPC系统进行控制，对3路模拟电路信号进行同步的A／D转换以增强系统准确性。在保证可靠性和精度的前提下，为降低系统成本，满足对输入数字信号倍数的要求，A／D转换器选用8位串行输出的ADC0809转

7、换器。采用NiosII软核搭建的FPGA系统处理数字信号，主要经过以下操作：　　①中值滤波，进一步去除干扰信号；　　②查对数表，查数据所对应的对数值；　　③求对数比，对分别采集到的2个数据求对数比，为判断是哪种颜色提供依据；　　④显示颜色识别结果，亮不同的灯来表明所识别出来的不同颜色4．1硬件设计　　在FPGA芯片上搭建一个NiosII处理器系统，包括可配置的NiosIICPU软核、与CPU相连接的片内设备和存储器，以及与片外设备和存储器相连的接口等。　　NiosII处理器是Altera公司