怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的便攜式顏色識(shí)別自適應(yīng)電路？

顏色識(shí)別是模式識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，利用顏色識(shí)別技術(shù)能使傳統(tǒng)依靠人眼進(jìn)行顏色判別的方法發(fā)生根本變革。這種新型技術(shù)采用顏色傳感器獲取外界的顏色信息，進(jìn)而通過基于計(jì)算機(jī)的信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)顏色的精確識(shí)別。

顏色識(shí)別技術(shù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)模擬識(shí)別方法和現(xiàn)代數(shù)字化識(shí)別兩個(gè)階段。傳統(tǒng)的顏色識(shí)別方法采用模擬顏色探測器件來進(jìn)行外界顏色獲取，這種探測器件通常是在獨(dú)立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍(lán)濾光片，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)；如果用微控制器對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行處理，就必須采用額外的AD轉(zhuǎn)換電路才能實(shí)現(xiàn)和微控制器的接口，而AD轉(zhuǎn)換電路的引入增加了信號(hào)的處理時(shí)間，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的速度有很大的影響；此外，由于一般的AD轉(zhuǎn)換存在量化誤差，系統(tǒng)的精度受到很大的限制，這些使得傳統(tǒng)的顏色識(shí)別方法逐漸被現(xiàn)在的數(shù)字式化的顏色識(shí)別技術(shù)所替代。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式的顏色傳感器逐步取代了傳統(tǒng)的光電二極管傳感器，這種技術(shù)把顏色傳感器所需的光學(xué)、機(jī)械、電子等信號(hào)處理集成在很小的芯片上極大地縮小了顏色傳感器的體積。由于這種傳感器輸出的是數(shù)字量，因此可以通過數(shù)字處理技術(shù)來提高探測速度并保持檢測器輸出信號(hào)的精度。例如采用改進(jìn)的動(dòng)態(tài)檢測方法來提高顏色探測的速度，采用數(shù)字電路來處理顏色數(shù)據(jù)等。

雖然數(shù)字傳感器已經(jīng)取得了一些成功，但其應(yīng)用于市場的技術(shù)還不夠成熟，隨著美國TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司最新推出的顏色傳感器TCS230的面世，數(shù)字傳感器才真正被工程師們采用。這種顏色傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇、數(shù)字輸出等特點(diǎn)。本文采用TCS230來作為系統(tǒng)的探測部分，基于該器件設(shè)計(jì)的顏色識(shí)別系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于電致變色材料的變色研究以便獲得材料的變色參數(shù)。

1 TCS230簡介

1.1 主要特性

TCS230是美國TAOS公司推出的可編程光到頻率的轉(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(gè)單一的CMOS（Comple-mentary Metal Oxide Semiconductor）電路上，同時(shí)在單一芯片上還集成了紅、綠、藍(lán)（RGB）3種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB顏色傳感器。該數(shù)字兼容接口可以和微處理器直接連接，使電路設(shè)計(jì)變得簡單；此外，TCS230內(nèi)部每個(gè)顏色通道有10位的數(shù)字轉(zhuǎn)換精度，大大提高了顏色的獲取精度。

1.2 引腳說明

TCS230引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。TCS230外部有8個(gè)引腳，其內(nèi)部主要由光電二極管陣列和電流頻率轉(zhuǎn)換器組成，通過微處理器控制S0，S1，S2，S3的引腳電平可以控制TCS230輸出紅綠藍(lán)三顏色頻率值，通過標(biāo)定可以得到數(shù)值化的BGB值，該值可以采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行處理識(shí)別。

圖1 TCS230引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)

2.1 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路設(shè)計(jì)原理

電致變色器件是隨施加在器件上的電壓而顯示不同顏色的模擬器件，一般變色的電壓范圍是-4～+4 V，且不同顏色顯示的電壓差值在0.1 V左右，因此本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何輸出該電壓值。

圖2為便攜式顏色探測自適應(yīng)系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是系統(tǒng)的控制模塊，在本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的控制。本文的主要工作是基于電致變色器件而設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，電路的功能主要是控制電致變色器件的變^況受外界環(huán)境的控制，從而起到識(shí)別作用。

圖2 便攜式顏色探測自適應(yīng)系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的顏色識(shí)別系統(tǒng)中涉及到多次模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換需要系統(tǒng)額外的處理時(shí)間，因此，減少這種模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換的次數(shù)則能提高系統(tǒng)的處理速度，其中最主要的方法是采用數(shù)字式的顏色傳感器和帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中采用了TCS230來作為外界顏色采集器件，其數(shù)字式的輸出接口可以直接和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)采用的是帶16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換的低功耗器件AD-UC845，它可以把處理過的顏色數(shù)據(jù)通過內(nèi)部集成的DA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬的信號(hào)，該信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)電致變色器件進(jìn)行顏色重現(xiàn)。

系統(tǒng)的控制部分主要完成對(duì)顏色到電壓的轉(zhuǎn)換功能，通過顏色傳感器獲取外界環(huán)境的顏色值，然后通過處理把顏色值轉(zhuǎn)換為電致變色器件能夠精確顯示該顏色的電壓。本文提出了兩種自適應(yīng)的顏色到電壓的轉(zhuǎn)換方法：第一種方法采用matlab的曲線擬合方法，通過擬合顏色-電壓曲線得到擬合參數(shù)，并得到顏色-電壓函數(shù)；系統(tǒng)在該函數(shù)的作用下自動(dòng)根據(jù)顏色值輸出對(duì)應(yīng)的電壓從而控制電致變色器件的顯示。第二種方法是采用比較大的存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過控制部分不斷的給電致變色器件送入電壓，然后獲取對(duì)應(yīng)的顏色數(shù)據(jù)，把電壓-顏色值存入存儲(chǔ)器建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)把外界的顏色值和存儲(chǔ)的顏色值進(jìn)行比對(duì)，若相同則把存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)電壓值輸出。由于要頻繁的讀取存儲(chǔ)器，該方法的速度比第一種方法慢。通過對(duì)比兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)本系統(tǒng)采用第一種方法來實(shí)現(xiàn)顏色重現(xiàn)。

2.2 便攜式顏色探測自適應(yīng)電路硬件圖

本系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。主要由4個(gè)模塊組成：穩(wěn)壓電源模塊，顏色傳感器模塊，單片機(jī)處理模塊，電壓偏移模塊和藍(lán)牙通信模塊。

圖3 便攜式顏色探測自適應(yīng)電路硬件圖

系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源模塊可提供兩種不同的電壓值：9 V的電壓偏移模塊工作電壓和單片機(jī)3.3 V的工作電壓值（3.3 V也用來驅(qū)動(dòng)顏色傳感器、藍(lán)牙模塊、存儲(chǔ)芯片），模塊中采用二極管來防止電源的反接而導(dǎo)致破壞系統(tǒng)的正常工作。

顏色傳感器采用的是TCS230，由于其工作電壓為3.3 V，因此直接與單片機(jī)進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡單。

單片機(jī)處理模塊中采用了EEPROM來存放擬合好的顏色-電壓參數(shù)值，系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)根據(jù)讀取的參數(shù)值給出顏色-電壓擬合函數(shù)，并在該函數(shù)的控制下進(jìn)行顏色的重現(xiàn)。

電壓偏移模塊主要是負(fù)責(zé)對(duì)電壓進(jìn)行極性的反轉(zhuǎn)和電壓的適當(dāng)放大，由于電致變色器件的變色范圍有負(fù)電壓的出現(xiàn)，因此在本系統(tǒng)單電源供電的情況下必須采用偏移電路實(shí)現(xiàn)負(fù)極性電壓的輸出。

藍(lán)牙通信模塊是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上下位機(jī)通信，通過把獲取的顏色數(shù)據(jù)發(fā)送給上位PC機(jī)，PC機(jī)在matlab的處理下，擬合顏色-電壓曲線，并把得到的擬合參數(shù)發(fā)送下位單片機(jī)。由于PC機(jī)的處理速度快，因此擬合的時(shí)間很少，主要的時(shí)間是上下位機(jī)之間的通信時(shí)間。

2.3 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)工作之前必須通過軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自平衡校準(zhǔn)，采用的方法是：通過設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器為固定時(shí)間，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，得出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)的R、G和B的值。校準(zhǔn)后則開始系統(tǒng)的正常工作，程序主要的工作是進(jìn)行信號(hào)的處理包括中值濾波，A／D轉(zhuǎn)換等，在環(huán)境顏色的跟蹤過程中需要運(yùn)用一系列的算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的顏色的提取，這需要對(duì)設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行不斷調(diào)試。

程序的功能（圖4）是程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，在本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，最主要的功能是命令識(shí)別和執(zhí)行，命令用來對(duì)數(shù)據(jù)流的方向進(jìn)行準(zhǔn)確控制，只有通過上下位機(jī)的命令二者之間的通信才能順利完成。系統(tǒng)在命令的控制下實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別以及重現(xiàn)功能，通過控制對(duì)應(yīng)的輸出接口才能輸出對(duì)應(yīng)的電壓值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

圖4 便攜式顏色自適應(yīng)識(shí)別電路軟件功能圖

程序的軟件框架圖則是軟件設(shè)計(jì)的算法的一種體現(xiàn)，本系統(tǒng)的主控程序（圖5）主要完成系統(tǒng)初始化、命令流、數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一調(diào)度。通過主控程序的調(diào)度外圍部件能夠正常的完成系統(tǒng)的功能要求。

圖5 軟件框架結(jié)構(gòu)圖

3 便攜式顏色識(shí)別自適應(yīng)電路實(shí)物圖

按照設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件電路圖，設(shè)計(jì)并制作了便攜式顏色自適應(yīng)系統(tǒng)的裸版，如圖6所示。電路板采用兩層布線。通過對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測試，分析輸出的顏色參量，運(yùn)用matlab對(duì)結(jié)果進(jìn)行顏色一電壓曲線擬合，并最終在電致變色器件上面顯示出了顏色，該顏色和從顏色傳感器檢測到的顏色一致。表明本電路能實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

圖6 便攜式顏色識(shí)別自適應(yīng)電路實(shí)物圖

4 結(jié)束語

利用數(shù)字式的顏色傳感器和單片機(jī)為電致變色器件設(shè)計(jì)了變色狀態(tài)受外界環(huán)境顏色變化的控制電路，電路簡單、成本低。由于電路工作時(shí)，會(huì)首先掃描電致變色器件的變色參數(shù)并儲(chǔ)存，因此電路能自適應(yīng)地控制不同變色參數(shù)的電致變色器件。此外，采用藍(lán)牙通信方式用來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信，這樣下位機(jī)的顏色傳感器可以方便的探測外界環(huán)境，便于提高顏色獲取的精度。設(shè)計(jì)中采取減少電路中AD、DA轉(zhuǎn)換的次數(shù)，進(jìn)一步提高了電路的工作速度。