本發(fā)明涉及一種顏色識別系統(tǒng)，尤其涉及一種基于tcs3200d的四通道顏色識別系統(tǒng)，屬于顏色識別控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會的不斷進(jìn)步，顏色識別在當(dāng)今社會生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用。各個不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得顏色識別技術(shù)有了快速的發(fā)展，通過與其他技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可為工業(yè)控制、產(chǎn)品制造與檢測等眾多行業(yè)提供更好的技術(shù)支持。

當(dāng)前，顏色識別技術(shù)主要是通過結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的單片機(jī)來實現(xiàn)。在社會的不斷進(jìn)步下，顏色識別在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與檢測中作用越來越大，從而對顏色識別的要求逐漸提高，不僅要求控制成本，還要求實用性與精準(zhǔn)性的提高。另外市場上顏色識別儀器主要是針對工業(yè)用的，而且其價格昂貴，適合中小企業(yè)和個人用戶使用的顏色識別儀器很少，且精度不高。

例如申請?zhí)枮椤?0120222489.8”的一種顏色識別系統(tǒng)及方法，其中顏色識別系統(tǒng)包括白色光源、顏色采集模塊、單片機(jī)和lcd顯示器，白色光源模塊包括白色光源和與其連接的密封通道，白色光源的光通過該密封通道后照射在被測物體上；顏色采集模塊包括顏色傳感器和聚光透鏡，聚光透鏡安裝在顏色傳感器前，被測物體反射的光通過該聚光透鏡被顏色傳感器采集；顏色傳感器將采集到的光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同的顏色模式的hsi值和rgb值，并發(fā)送給lcd顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。該發(fā)明的顏色識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)系統(tǒng)不完善，精度不高，如果進(jìn)行實際應(yīng)用，還需要有較大提升和優(yōu)化空間。

又如申請?zhí)枮椤?01510607998.6”的一種木材顏色識別系統(tǒng)，它包括白色發(fā)光光源、tcs3200d顏色傳感器、可編程控制器、lcd液晶觸摸屏，白色發(fā)光光源發(fā)出的光經(jīng)木板反射進(jìn)入顏色傳感器，顏色傳感器、白色發(fā)光光源、lcd液晶觸摸屏均與可編程控制器連接。該木材顏色識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但是由于缺少完整光學(xué)系統(tǒng)，顏色傳感器與被測木材表面的距離需要保持在10mm短的長度才能正常工作，在移動過程中的傳感器容易損壞，易發(fā)生事故。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)的不足，設(shè)計出一種基于tcs3200d的四通道顏色識別系統(tǒng)。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，設(shè)計了一套包含光源、透鏡、偏振裝置和光闌的光學(xué)系統(tǒng)以及基于tcs3200d的四通道顏色識別傳感器模塊。技術(shù)方案如下：

一種基于tcs3200d的四通道顏色識別系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等。

上述顏色識別系統(tǒng)，其光學(xué)系統(tǒng)包括白光led、反射鏡、準(zhǔn)直透鏡、起偏器、入射光闌、反射面（待測物）、檢偏器、反射光闌、會聚透鏡。

上述顏色識別系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括四片tcs3200d顏色傳感器，在采集系統(tǒng)中放置于統(tǒng)一平面成田字排列。

上述顏色識別系統(tǒng)、其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，采用了由阿爾特拉（altera）公司生產(chǎn)的cycloneⅳ系列fpga芯片ep4ce6e22作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主控芯片。同時輔以同為該公司產(chǎn)品的epcs16配置芯片和其他外圍電路組成整個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

上述顏色識別系統(tǒng)，其顯示系統(tǒng)的顯示器件為lcd1602液晶顯示器。

上述四通道傳感器，分別將s0、s1、s2、s3四個控制引腳在各個芯片對應(yīng)處相連起來，再與主控芯片上的i/o口相連，四個使能oe相互連接后并連接至主控芯片的i/o口，四個out分別連接到i/o口，最后將四個傳感器片的vcc與gnd之間并聯(lián)八個104電容后接上電源的vcc與gnd。

本發(fā)明采取的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有單片機(jī)與傳感器組合的技術(shù)相比，具有以下技術(shù)特點：

1.本發(fā)明基于fpga處理器與四通道tcs3200d傳感器進(jìn)行顏色識別，識別精度高、拓展性強(qiáng)；

2.本發(fā)明所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)在光信號進(jìn)入傳感器前對外界雜光及內(nèi)部光源引入的噪聲進(jìn)行了控制和去除，降低了外界雜光和內(nèi)部光源對測量結(jié)果的影響；

3.本發(fā)明所涉及的四通道傳感器在同一物面內(nèi)測得的四組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，增大傳感器受光面積的同時減小了偶然誤差；

4.本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和處理部分以tcs3200d傳感器為探測器，使用fpga作為運算、控制核心，其具有高性能、低成本、易于操作和維護(hù)等優(yōu)點，同時體積小、開發(fā)能力強(qiáng)、使用方便能滿足用戶實際應(yīng)用的要求。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作為進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖3是本發(fā)明的方法流程圖；

圖4是本發(fā)明系統(tǒng)工作的主程序流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及其優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施方案，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的顏色識別系統(tǒng)包括白色光源模塊20、四通道顏色采集模塊30、fpga10、lcd顯示器50和光學(xué)系統(tǒng)40，其中白色光源和與其光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)狀況參見圖2。白色光源采取高亮度白光led，在顏色識別系統(tǒng)還包括為其各部分供電的電源模塊（圖中未表示體現(xiàn)）

本發(fā)明中，fpga10采用高效率的數(shù)據(jù)處理器ep4ce6e22c8fpga芯片，對四通道傳感器檢測來的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得益于fpga器件的高性能，本設(shè)計在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時使用了大量并行運算，提高了數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)速度。

本發(fā)明的顏色傳感器采用tcs3200d，對于此傳感器來說，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，這些光電二極管分為四種類型，其中16個二極管帶有紅色濾波器；16個二極管帶有綠色濾波器；16個二極管帶有藍(lán)色濾波器；剩余16個不帶有任何濾波器，這樣可以透過全部的光信息。同時光電二極管在芯片內(nèi)不按照順序排列，采取交叉陣列的方式，這樣能夠減少入射光照射到傳感器上不均勻，減少了顏色識別的難度；另一方面，顏色相同光電二極管是并聯(lián)的，均勻的分布在芯片上，用來消除位置誤差。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2hz－500khz，通過可編程的兩個引腳，根據(jù)需求選擇不同顏色的濾波器，還可以通過兩個可編程引腳來選用100％、20％或2％不同的輸出比例因子，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。

顏色采集模塊30，是整合四片tcs3200d傳感器并加入電容濾波去噪電路設(shè)計出的四通道傳感器模塊，主要目的是為了在同一平面內(nèi)接受四處不同位置的信號光，為了消除系統(tǒng)中的偶然誤差。從而可以保證顏色傳感器輸出準(zhǔn)確的頻率。

四通道顏色傳感器通過fpga使能控制，將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號，并發(fā)送給fpga10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即是顏色識別，得到待測顏色的rgb值，并通過轉(zhuǎn)換譯碼發(fā)送給lcd顯示器50進(jìn)行rgb三刺激值的顯示。

本發(fā)明中，四通道tcs3200d顏色傳感器輸出的占空比為50%的不同頻率的脈沖，所以用fpga設(shè)計實現(xiàn)了頻率計電路，對其記錄到達(dá)i/o口的四組脈沖數(shù)。有兩種方法來計算rgb三分量的值。第一種：控制紅色的濾波器，讓其定時器以固定的時間計時，頻率計開始工作，當(dāng)定時器溢出時，提取計數(shù)器中的數(shù)值，得到紅色計數(shù)值。按照上述操作可分別得到藍(lán)色、綠色分量的數(shù)值，再通過白平衡調(diào)節(jié)，則可得到所測的待測顏色的rgb三刺激值。第二種方法：控制紅色濾波器，讓頻率計工作，定時器同時開始計時，當(dāng)頻率計的數(shù)值達(dá)到255時，提取定時器中的時間，按照上述方法，可測得藍(lán)色、綠色分量的時間，再通過白平衡調(diào)節(jié)，則可得到所測的待測顏色的rgb三刺激值。通過多次對比實驗測試，得到第一種方法的偶然誤差要小于第二種，所以本系統(tǒng)采用第一種方法計數(shù)。

本發(fā)明所選取的光源是cie標(biāo)準(zhǔn)光源d65,但是由于外界環(huán)境等因素會一定程度的影響測量結(jié)果，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少由外界環(huán)境帶來的偏移誤差。在測量之前，首先對儀器進(jìn)行白平衡定標(biāo)。所謂的白平衡定標(biāo)，可分為零點定標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)白板定標(biāo)兩種，在本發(fā)明中，因為實現(xiàn)的是顏色的識別測量，所以采用白板定標(biāo)作為白平衡定標(biāo)方法，具體步驟如下：

在全黑環(huán)境下使用整套測色系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行顏色檢測，從而得到三個數(shù)據(jù)值，記為,,。

將,,這三個值作為本系統(tǒng)的參考值。

在之后進(jìn)行的顏色測量中，將得到的rgb三刺激值與參考值,,分別做商，將此作為測量的最終結(jié)果。

如圖2所示，圖中：s201為白光led；s202為準(zhǔn)直透鏡；s203為起偏器；s204為入射光闌；s205為待測物反射面；s206為檢偏器；s207為反射光闌；s208為會聚透鏡；s209為四通道tcs3200d傳感器。

在顏色采集系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，來自點光源led的光線通過拋物面反射鏡形成平行光。平行光穿過一塊準(zhǔn)直透鏡，使光線變得均勻柔和。光線經(jīng)偏振片改變偏振方向。最后經(jīng)過光闌照射在待測物上一定量的光完成入射光照射；根據(jù)反射原理，從待測物發(fā)射出攜帶顏色信息的光線進(jìn)入反射通道，經(jīng)過偏振片消除鏡面反射的信號光，再次通過光闌遮擋多余的光，穿過匯聚透鏡讓光均勻匯聚在四通道傳感器上。

如圖3所示，本發(fā)明顏色識別系統(tǒng)，測量步驟如下：

s301、通過光學(xué)系統(tǒng)將白光均勻、柔和的照射在待測物上；

s302、通過fpga控制傳感器使能，測得被測物體反射來的光信號；

s303、顏色傳感器將采集而來的光信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并傳輸給fpga數(shù)據(jù)處理中心；

s304、fpga對采集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

s305、將數(shù)據(jù)處理后得到的rgb三刺激值，發(fā)送給lcd顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；

本發(fā)明中，顏色識別系統(tǒng)工作的主程序流程圖如圖4所示，包括以下步驟：

s401、顏色識別系統(tǒng)的開始；

s402、顏色識別系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要為傳感器使能端、數(shù)據(jù)傳輸i/o口以及l(fā)cd顯示器的8位數(shù)據(jù)i/o口的初始化；

s403、初始化完成后，進(jìn)行系統(tǒng)白平衡調(diào)節(jié)；

s404、如果需要進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)，啟用白平衡模塊，采集白平衡rgb分量，計算白平衡調(diào)節(jié)因子；如果不需要則直接進(jìn)入s405；

s405、判斷是否檢測到顏色識別指令；

s406、如果檢測到顏色識別指令則進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理，如果沒有檢測到顏色識別指令則返回繼續(xù)檢測；

s407、判斷rgb三刺激值是否處理結(jié)束；

s408、如果處理結(jié)束，進(jìn)入lcd顯示模塊，顯示測得的rgb三刺激值；如果處理未結(jié)束，則繼續(xù)檢測處理是否結(jié)束，直到處理結(jié)束為止；

本發(fā)明專利為一種基于tcs3200d的四通道顏色識別系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是由以cycloneⅳfpga為核心的處理模塊、四通道tcs3200d傳感器、光學(xué)系統(tǒng)和lcd1602搭建起來的。采取高效率fpga數(shù)據(jù)處理芯片，相比傳統(tǒng)單片機(jī)與傳感器的顏色檢測系統(tǒng)，具有高性能、低功耗、低成本、易于操作和維護(hù)等優(yōu)點，同時體積小、開發(fā)能力強(qiáng)，能滿足用戶實際應(yīng)用的要求。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解意義相同。

對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。